JPH0648170B2 - Displacement measuring device - Google Patents
Displacement measuring deviceInfo
- Publication number
- JPH0648170B2 JPH0648170B2 JP62112264A JP11226487A JPH0648170B2 JP H0648170 B2 JPH0648170 B2 JP H0648170B2 JP 62112264 A JP62112264 A JP 62112264A JP 11226487 A JP11226487 A JP 11226487A JP H0648170 B2 JPH0648170 B2 JP H0648170B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- grating
- measuring device
- stage
- length measuring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Electron Beam Exposure (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、装置の主要部をIC化することにより装置の
小型化、低ノイズ化および高精度化を可能にした変位測
定装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a displacement measuring device capable of downsizing the device, reducing noise, and improving accuracy by integrating a main part of the device into an IC.
[従来の技術] 従来の格子干渉測長装置は、光源、偏光ミラー、コーナ
ーキューブ、偏光板、光検出器等が別々に組み合わさっ
て立体的に構成されていた。[Prior Art] A conventional grating interference measuring device is three-dimensionally configured by separately combining a light source, a polarizing mirror, a corner cube, a polarizing plate, a photodetector and the like.
[発明が解決しようとする問題点] そのため、従来の格子干渉測長装置においては、 各光学部材間の機械的変動、温度変化や空気のゆらぎ
等により干渉信号に誤差が加わり、測長精度を劣化させ
る。[Problems to be Solved by the Invention] Therefore, in the conventional grating interferometric length measuring apparatus, an error is added to the interference signal due to mechanical fluctuation between each optical member, temperature change, air fluctuation, etc. Deteriorate.
また、光源や検出系を別々に取り付けているために、
空間的に占める体積が大きく、小型にすることができな
い。Also, because the light source and the detection system are installed separately,
It occupies a large volume in space and cannot be miniaturized.
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。Furthermore, there is a problem in that noise is likely to enter due to the spatial distance from the detection system to the processing circuit, which deteriorates measurement accuracy.
本発明の目的は、上述の従来例における問題点に鑑み、
装置の小型化、低ノイズ化及び高精度化を、測定安定性
を損なうことなく実現する変位測定装置を提供すること
にある。In view of the problems in the above-described conventional example, the object of the present invention is to
It is an object of the present invention to provide a displacement measuring device that realizes downsizing, low noise, and high accuracy of the device without impairing measurement stability.
[問題点を解決するための手段] 上記目的を達成するため本発明では、光束を発生する光
源と、面が基準尺としての回折格子に対向するように配
置され且つ該回折格子の略配列方向に該回析格子と相対
的に移動可能に配設される為の基体と、該基体の前記回
折格子への対向面上に設けられ且つ光束を前記対向面に
沿って導く導波路層と、該導波路層に設けられ且つ前記
光源からの光束を2つの光束に分割する手段及び分割さ
れた各光束を夫々前記対向面に交差する方向に偏向する
ことにより前記導波路層から空間の特定箇所へ向けて出
射する手段とを設けた光集積回路と、前記導波路層から
出射され前記回折格子により回折された、相互に干渉し
合った光を受光する光検出手段とを具備することを特徴
とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, according to the present invention, a light source for generating a light flux, a surface thereof is arranged so as to face a diffraction grating as a reference scale, and the diffraction grating is arranged in a substantially arrangement direction. A base for movably disposed relative to the diffraction grating, and a waveguide layer provided on a surface of the base facing the diffraction grating and guiding a light beam along the facing surface. A means for dividing the light flux from the light source into two light fluxes provided in the waveguide layer, and deflecting each of the divided light fluxes in a direction intersecting with the facing surface, and thereby a specific portion of the space from the waveguide layer. And an optical integrated circuit provided with means for emitting the light toward the optical waveguide, and a photodetecting means for receiving the mutually interfering light emitted from the waveguide layer and diffracted by the diffraction grating. And
またこれとは別に本発明では、光束を発生する光源と、
面が変位測定すべき物体に対向するように配置され且つ
該物体と相対的に移動可能に配設される為の基体と、該
基体の前記物体への対向面上に設けられ且つ光束を前記
対向面に沿って導く導波路層と、該導波路層に設けられ
且つ前記光源からの光束を2つの光束に分割する手段及
び分割された各光束を夫々前記対向面に交差する方向に
偏向することにより前記導波路層から空間の特定箇所へ
向けて出射する手段とを設けた光集積回路と、前記導波
路層から出射され前記物体により作用された、相互に干
渉し合った光を受光する光検出手段とを具備することを
特徴とする。In addition to this, in the present invention, a light source for generating a light flux,
A base whose surface is arranged so as to face the object to be displaced and is arranged so as to be movable relative to the object, and a light beam which is provided on the surface of the base facing the object A waveguide layer guided along the facing surface, a means provided in the waveguide layer for splitting a light beam from the light source into two light beams, and each split light beam is deflected in a direction intersecting with the facing surface. The integrated optical circuit provided with means for emitting light from the waveguide layer to a specific location in space, and the light emitted from the waveguide layer and acted by the object, which interfere with each other, are received. And a light detecting means.
[作用及び効果] 本発明によれば、主要部を対向面上に集積化している
為、変位測定装置を、外乱に強く、小型軽量で高精度に
構成することができる。また被検物に入射する前に光集
積回路において光束を2分し且つ対向面に交差する方向
に偏向して出射し、被検物からの相互に干渉しあった光
を受光する構成を採っているため、被検物と光集積回路
との相対位置関係が変化しても光集積回路を通過する光
束の状態はまったく影響を受けないので、より安定した
測定が可能になる。本発明は特に、被検物への対向面上
の導波路層に設けた光集積回路を用いることにより、被
検物存在空間を含めた装置全体を薄型構成とすることが
でき、より一層の小型化を可能にする。[Operation and Effect] According to the present invention, since the main part is integrated on the facing surface, the displacement measuring device can be configured to be strong against external disturbance, small in size, light in weight, and highly accurate. In addition, before the light enters the object to be inspected, the light beam is divided into two in the optical integrated circuit and is deflected in a direction intersecting with the facing surface and emitted, and the mutually interfering lights from the object to be inspected are received. Therefore, even if the relative positional relationship between the object to be inspected and the optical integrated circuit changes, the state of the light flux passing through the optical integrated circuit is not affected at all, and more stable measurement is possible. In particular, the present invention uses the optical integrated circuit provided in the waveguide layer on the surface facing the object to be inspected, so that the entire device including the object existence space can be made thin, Enables miniaturization.
[実施例] 以下、本発明の実施例を説明する。[Examples] Examples of the present invention will be described below.
第1図は、本発明に関連した測長装置の概観を示す。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。FIG. 1 shows an overview of a length measuring device related to the present invention. This processing apparatus processes or measures an object to be processed or an object to be measured using an optical probe.
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。In the figure, DS is a stage base, the Y stage YS is on the base DS, and the X stage X is on the Y stage YS.
S is mounted. The base DS has a y-direction guide YG,
An X-direction guide XG is provided on the Y stage YS,
The X and Y stages XS and YS are driven by X and Y motors (not shown), and move in the x and y directions along the guides XG and YG.
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XY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。LI is a laser interference length measuring device as a large stroke length measuring device for measuring the movement amount and position of each of the X and Y stages XS and YS, and CPx and CPy are the laser beams Lx and Ly incident from the length measuring device LI 180 It is a corner cube prism for reversing the angle and returning it to the length measuring instrument LI through an optical path parallel to the original. A portion DV indicated by a dotted line on the X stage XY is an arrangement space for the small stroke stage, the high resolution length measuring device, the optical probe and the like. Length measuring instrument LI and stage base DS
Are fixed on a surface plate (not shown).
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。FIG. 2 shows a partially enlarged view of the optical probe equal arrangement space DV of FIG. In the figure, DFS is a base for a small stroke stage, a y-direction guide YFG for the small stroke stage is provided, and is fixed on the X stage XS. On this base DFS, a small stroke Y stage YFS is movably mounted along a guide YFG.
A small stroke X stage XFS is movably mounted on the stage YFS along a small stroke stage x-direction guide XFG provided on the Y stage YFS, and an optical probe L for processing or measurement is mounted on the X stage XFS.
P is fixed.
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。The position of the optical probe LP is the y-coordinate detection length measuring device MY including a y-direction reference scale SY attached to the base DFS and a y-direction length measuring head HY attached to the Y stage YFS.
And x-direction scale SX attached to Y stage YFS
And X-direction measuring head HX attached to X-stage XFS
The x-coordinate detection length measuring instrument MX and
It is detected as a relative position coordinate with respect to S (that is, X stage XS). On the other hand, small stroke stage base DF
The coordinates of S with respect to the surface plate are measured as the positions of the X and Y stages by the laser interference length measuring instrument LI.
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を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。That is, in FIG. 2, the large stroke stage X
The movements of S and YS are measured by the laser interferometer length measuring instrument LI, and the movements of the stages XFS and YFS in the small stroke object area are measured by the length measuring devices MX and MY. In this way, the length measuring means is combined with respect to the movement of a certain specific area, and the length measurement for the small stroke movement is provided separately from the length measurement equipment (laser interference length measuring equipment) for the stage movement of the large stroke. High-precision (high-resolution) length measurement was performed by using the length measuring device, and large-stroke and high-precision length measurement was realized by not relying on the error of the length measuring device for moving a large stroke. .
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。Here, the length measuring device for the small stroke movement does not need to have a small stroke, but is more accurate (higher resolution) than the length measuring device for the large stroke movement at least in the specific area.
It is necessary to be.
第3図は、本発明に関連した他の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
干渉測定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、上記例の全体構成により具体的に表わ
したものであると同時に、上記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MX,MY)とし
ても好適に使用することができるものである。FIG. 3 shows an example in which another high-precision and high-resolution length measuring device related to the present invention is set on a one-axis stage. This length measuring device
By combining the grating interferometer and the focus detection means used in the autofocus device, and interpolating between the pulse signals at fixed intervals determined by the optical arrangement of the grating interferometer with the focus measurement output of the focus detection means. , While maintaining the high precision of the grating interferometer, the resolution is improved to achieve higher precision and higher resolution. This length measuring device is concretely represented by the entire configuration of the above-mentioned example, and at the same time, the length measuring device for a small stroke movement (the length measuring device MX of FIG. 2 is a part of the above-mentioned example. , MY) can be preferably used.
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沿って矢印Aの方向に
移動する。In FIG. 3, SR is a moving stage, GS is a diffraction grating as a standard scale, MH is a length measuring head for measuring the moving amount of the moving stage SR with respect to the diffraction grating GS, RG is a guide, SS is a feed screw, MT. Is a motor. The guides RG, RG and the diffraction grating GS are fixed on the surface plate SP in parallel with the moving direction of the moving stage SR indicated by an arrow A, and the moving stage SR is guided along the guide RG by the action of the feed screw SS rotationally driven by the motor MT. Move in the direction of arrow A.
第4図は測長ヘッドMHの構成説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the structure of the length measuring head MH.
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。In the figure, SP is a surface plate, on which a moving stage SR is movably mounted, and a diffraction grating GS is fixed in parallel to the moving direction A of the moving stage SR. Further, a flat mirror PM having a mirror surface perpendicular to the moving direction A is fixed to the moving stage SR, and a fine movement stage (AF stage) AFS is mounted. The fine movement stage AFS is connected to the moving stage SR via a fine driving mechanism PD such as a piezo driving mechanism, and the fine driving mechanism PD moves the moving stage SR relative to the moving stage SR (the direction of arrow A). ), It is possible to move a minute amount in the direction of arrow B, which is the same direction as that of FIG. Further, a length measurement optical system including a grating interference length measurement system and an autofocus (hereinafter referred to as AF) length measurement system is installed on the fine movement stage AFS.
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PF1,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。This length measurement optical system includes a light source LD such as a semiconductor laser, a collimator lens CL, beam splitters HM1 and HM2, phase difference plates PF1 and FP2, prism mirrors or corner cube prisms CC1 and CC2, a polarization beam splitter BS, and a photodetector PD1. , PD2, objective lens LN, optical position detector (position sensor) PS, and the like. The light source LD and collimator lens CL are connected to the grating interferometry system and A
It is intended to omit optical components such as shared with the F measuring system.
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。In FIG. 4, the light beam emitted from the light source LD and collimated by the collimator lens CL is a beam splitter H.
It is divided into two light beams by M1, one of which is the objective lens L
N through the beam splitter HM2 and the other through the diffraction grating G
It is incident on S.
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ο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。The light incident on the diffraction grating GS is diffracted by the diffraction grating GS, the phase δ of the diffraction grating GS is added to the diffracted wave front, and the phase light of the diffracted wave is exp {i
(Ωt + mδ)}. Where m is the diffraction order,
For example, + 1st-order light and -1st-order light are exp {i (ωt +
δ)} and exp {i (ωt−δ)}. The light ray L11 which is the + 1st-order light and the light ray L12 which is the -1st-order light respectively enter the corner cube prisms CC1 and CC2 via the phase difference plates FP1 and FP2, and are reflected here in the direction opposite to the incident direction and the parallel direction. To be done. The reflected light rays L11 and L12 pass through the phase difference plates FP1 and FP2 twice to be turned into right-handed and left-handed circularly polarized light, and are reflected by the point P of the diffraction grating GS.
1, the moving direction of the moving stage SR (direction of arrow A)
The light beam is diffracted again at a point P2 distant from the beam, and then enters the polarization beam splitter BS via the beam splitter HM2. Light rays L11, L12 having right-handed and left-handed circularly polarized light incident on the polarization beam splitter BS.
Transmits and reflects the polarization beam splitter BS.
The transmitted light LR1 and LR2 and the reflected light LS1 and LS2 become linearly polarized light, respectively, and interfere with each other to cause photodetectors PD1 and PD1.
It is incident on D2.
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。Since the photodetectors PD1 and PD2 detect the orthogonal components of the two circularly polarized light as the interference light intensity, the photodetectors PD1 and PD2 of the photodetectors PD1 and PD2 when the measuring head MH (AF stage AFS) moves with respect to the diffraction grating GS. The outputs R and S have a phase difference of 90 ° as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). Based on these two signals R and S at constant levels (c) and (d)
As shown in, each digitized by a circuit not shown,
To measure the relative movement amount of the length measuring head MH and the diffraction grating GS by generating four pulses per cycle as shown in (e) at the rising and falling timings and counting the number of pulses. You can In this case, the period of change in the intensity of the interference light with respect to the movement of the diffraction grating GS by one pitch is 4 periods, and the number of pulses is 16. In addition, during the pulse counting, the direction of the relative movement is detected, and whether to add or subtract the count value is determined according to the detection result. The moving direction can be determined by the levels of the signals (c) and (d) at the generation timing of each pulse in FIG. 5 (e). For example, the level of the signal (d) at the falling timing of the signal (c) is "H" during the forward movement, and is "L" during the backward movement.
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。Further, the signals R and S shown in FIGS. 5A and 5B are added and subtracted to create signals R + S and R-S having a phase difference of 45 ° with respect to the signals R and S. Also, by binarizing the same as above and generating pulses at the rising and falling timings, it is possible to generate 32 pulses for one pitch movement of the diffraction grating GS. However, in this case, in order to reliably process these signals, it is necessary to consider the fluctuations in the light amount and the diffraction efficiency.
第6図は、格子干渉測長器の原理説明図である。FIG. 6 is an explanatory view of the principle of the grating interferometer.
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1.6μmとすると1.6μm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。In the figure, the coherent light incident on the diffraction grating GS is diffracted as ± first-order light. The phase of this diffracted light is the grating G
When S moves, it changes depending on the moving direction. As shown in the figure, when the diffraction grating GS moves one pitch in the x direction, the phase of the + 1st order diffracted light L11 advances by one wavelength, and the −1st order diffracted light L
12 is one wavelength behind. When the diffracted lights L11 and L12 are returned by the corner cubes CP1 and CP2 and diffracted again by the grating GS, the + 1st order diffracted light L11 is further advanced by one wavelength and the −1st order diffracted light L12 is delayed by one wavelength. for that reason,
The interference light that finally combines L11 and L12 is the diffraction grating G
When S moves 1 pitch, the brightness changes 4 times. Therefore, if one pitch of the diffraction grating is 1.6 μm, 1 / 1.6 of 1.6 μm
4, the brightness changes every 0.4 μm. By photoelectrically converting this change in light and dark and counting the light and dark, it is possible to obtain pulses at intervals of 0.4 μm. In the interferometric measuring system shown in FIG. 4 described above, in order to further improve the resolution, the electrical processing is performed for each pitch of the diffraction grating.
Pulses are generated every 16 or 32, that is, every 0.1 μm or 0.05 μm.
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。Next, a method for detecting the direction of the grating interferometer will be described.
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。In order to detect the length measurement direction, it is necessary to extract two signals with 90 ° phase shift.
第6図に示すように、直線偏光のコヒーレント光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。As shown in FIG. 6, circularly polarized light can be obtained by making linearly polarized coherent light λ / 4 plates QW1 and QW2 incident at 45 ° with respect to the fast axis thereof and transmitting them.
+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。When the + 1st-order diffracted light and the -1st-order diffracted light are combined into, for example, left-handed and right-handed circularly polarized lights and combined, the combined light becomes linearly polarized light.
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。The polarization direction of the linearly polarized light is determined by the phase difference φ of ± first-order light.
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+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。Now, counterclockwise circularly polarized light by the + 1st order light is y + = a exp {i (ωt-φ / 2)} x + = a exp {i (ωt-π / 2-φ / 2)} -1st order light When the left-handed circularly polarized light is expressed by y − = a exp {i (ωt + φ / 2)} x − = a exp {i (ωt−π / 2 + φ / 2)}, the plane wave when these are combined is y = y + + y − = a {exp (iφ / 2) + exp (−iφ / 2) x = x + + x − = a {exp (iφ / 2) + exp (−iφ / 2), which is the seventh As shown in the figure, the polarization direction θ is φ / 2
It can be seen that the linearly polarized light is.
ここで、aは光波の振幅、ωは光波の角周波数を表わ
す。Here, a represents the amplitude of the light wave, and ω represents the angular frequency of the light wave.
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。Therefore, by moving the grating GS by x in FIG. 6, the phase difference φ of the ± first-order light can be obtained by setting the pitch of the grating GS as p. Is obtained. Therefore, the polarization azimuth θ of the combined ± 1st order light is Becomes
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PP
1,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。The combined linearly polarized light is split by the beam splitter HM3 as shown in FIG. 6, and enters detectors PD1 and PD2 after passing through polarizing plates PP1 and PP2. Two polarizing plates PP
If the transmission axes of 1 and PP2 are different from each other by 45 °, for example, the detector PD1 after passing through the first polarizer PP1 is θ =
When the peak of the light amount is detected when it is 0, the detector PD2 after passing through the second polarizer PP2 That is, The light intensity reaches its peak at. This is a signal having a 90 ° phase difference with respect to the signal of the detector PD1 by the first polarizer. As a result, the measurement direction can be determined.
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。Next, a method of generating a pulse signal with higher repeatability will be described.
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〜0.002 μm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。The accuracy (resolution) in the length measuring device of FIG. 3 is, for example, 0.01 μm to 0.002 μm, as will be described later. In order to maximize the high accuracy of the AF length measuring system, it is necessary to generate a pulse signal with high repeat accuracy in the interferometric length measuring system. This repeatability is the accuracy that is resolved by AF
Repeatability of 0.002 μm or less is required.
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。In the method of increasing the number of pulses per pitch of the grating by the electrical processing as described above, the factors that deteriorate the accuracy are the fluctuation of the light quantity and the fluctuation of the diffraction efficiency. For example,
The signal R, as shown in FIGS. 5 (a) and (b),
If S has a DC level fluctuation or an amplitude fluctuation, the slicing positions V SR and V SS will change, and the repeatability will deteriorate.
そこで、ここでは0゜, 180゜信号を使うことを提案す
る。Therefore, here, it is proposed to use 0 ° and 180 ° signals.
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。If the difference between the signals of 0 ° and 180 ° is detected, the fluctuation of the DC level and the fluctuation of the amplitude can be removed because they are common to the two signals of 0 ° and 180 °. This is shown in FIG.
0゜,180 ゜に信号を用いると、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。When the signal is used at 0 ° and 180 °, the pulse signal appears every 1/2 wavelength. In this case, a pulse signal is output every 0.2 μm, but it may be used as it is.
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。FIG. 9 shows an example of a configuration for implementing this method. That is, the polarization plates PP1 and P having azimuth angles of 0 ° and 45 °
In addition to P2, a 90 ° polarizing plate PP3 may be provided in another optical path. In the figure, HM3 and HM4 are half mirrors and P
D1, PD2, PD3 are detectors (photodetectors).
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。Returning to FIG. 4, the light emitted from the light source LD, collimated by the collimator lens CL, and transmitted through the beam splitter HM1 is input to the objective lens LN of the AF length measurement system.
第10図は、AF測長系の動作説明図である。FIG. 10 is an operation explanatory diagram of the AF length measurement system.
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。In the figure, the light from the light source LD is incident on the objective lens LN at a position decentered from the main optical axis. And
Target of objective lens LN (moving stage S in FIG. 4)
When the mirror surface of the plane mirror PM fixed to R is at the in-focus position (a), the light from the light source LD passes through the optical path indicated by the solid line in FIG. 10 to reach the in-focus position (a) with respect to the objective lens LN. An image of the light spot projected on the mirror surface is formed on the central portion (a) on the sensor PS arranged at the conjugate (image forming) position. When the target PM is at the defocus (non-focus) positions (b) and (c) of the objective lens LN, the sensor PS passes through the optical paths of the two-dot chain line and the broken line of FIG. 10, respectively.
Defocus images are formed at positions (b) and (c) apart from the upper center (a).
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、不図示の作動増幅器によって得られるセンサ
信号量IAとIBの作動信号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。FIG. 11 shows a spot state and a light amount distribution on the surface of the sensor PS corresponding to the positions of the respective plane mirrors PM. The difference between the sensor signal amount of the A zone and the sensor signal amount of the B zone on the sensor PS surface has a so-called S-curve characteristic.
Figure 12 shows the relationship defocus amount of the activation signal [Delta] I (= I A -I B) of the sensor signal quantity I A and I B obtained by the differential amplifier (not shown) (the target position).
The AF length measurement system of FIG. 4 uses a region in which the relationship between the defocus amount and the differential signal ΔI in this S-shaped characteristic curve is linear.
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。Next, the operation of the length measuring device of FIGS. 3 and 4 will be described with reference to the flowchart of FIG. 13 and the output waveform diagrams of FIGS. 14 and 15.
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。The length measuring device in FIG. 3 is configured so that its entire operation is controlled by a central processing unit (not shown).
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。First, at the start of operation such as power-on, the moving stage S
Initialize by moving R to the origin and resetting the counter when the moving stage SR reaches the origin,
Then, it waits for the input of the moving stage drive command.
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。When a stage drive command is input in the standby state,
First, the AF operation is performed. That is, based on the output of the AF length measurement system, the piezo minute drive mechanism (piezoelectric actuator) FD
Then, the AF stage AFS is driven to focus the objective lens LN on the plane mirror PM. When the focus is reached, the AF
The stage AFS is locked to the moving stage SR at that position, and the moving stage SR is driven by the motor MT.
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。In this length measuring device, when the moving stage SR moves, as described above, an electric circuit (not shown) of the grating interferometer length measuring system.
To the period p of the diffraction grating GS fixed to the surface plate SP
A pulse signal comes out every 1/16 of this (see FIGS. 5 and 14). The counter integrates the number of pulses.
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。When a stop command is input during the movement of the moving stage SR, the central processing unit stops the moving stage SR and calculates the pulse integration number by the counter. Thereafter, the lock of the AF stage AFS is released, the piezoelectric actuator FD is driven to move the AF stage AFS on which the AF system and the grating interference optical system are mounted, and the pulse signals of the grating interference measuring system obtained above The position of the moving stage where the moving stage is located is detected. That is, as shown in FIG. 14, the moving stage S
Assuming that the position where R is stationary is S point and the pulse count number at that time is N, the position of the S point position between the count number N and the next N + 1 is accurately determined by the autofocus means. .
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。First, the pulse integrated number N of the counter when the moving stage SR is stopped is stored, and the piezoelectric actuator FD moves the AF stage AFS, that is, the length measurement optical system MH by a minute amount (a little more than the pulse interval Δx). Then, defocus is added to the AF length measurement system that targets the plane mirror PM fixedly attached to the moving stage SR, and as shown in FIG. 15, the differential output signal ΔI (the difference signal of the AF sensor PS I a -I B) is changed. At this time, if the feed amount of the piezo drive amount is set in the area where the relationship between the defocus amount and the difference signal is linear, the difference signal is determined because the relationship between the difference signal and the defocus amount is known in advance. If given, the defocus amount can be uniquely determined. Therefore, if a small amount is moved to the position corresponding to the Nth pulse by piezo drive, a difference signal at the position corresponding to the Nth pulse is obtained. An amount obtained by adding δ to Δx is the length measurement position of the point S at which the moving stage SR stops. Here, Δx is the period of the pulse train of the grating interferometry system. The fine movement stage AFS on which the optical system is mounted is stationary at the position where the AF signal is 0 (focus position) until the moving stage SR is stationary.
この測長器において、例えば回折格子GSの格子ピッチ
を1.6μmとすれば、格子干渉測長系のパルス信号の
周期は0.1μmとなる。従って、ピエゾ駆動量を〜
0.2μm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。In this length measuring device, for example, if the diffraction grating GS has a grating pitch of 1.6 μm, the period of the pulse signal of the grating interference measuring system is 0.1 μm. Therefore, the piezo drive amount
The above method can be performed by shaking about 0.2 μm, the length can be achieved with the accuracy of AF while maintaining the high stroke of the grating interference measuring device, and the positioning of the stage or the like can be achieved with high accuracy.
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C
CDやポジションセンサ等を用いれば0.01μm〜0.002
μm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1μm程度である。For example, the accuracy of AF measurement is
Using 100 (NA≈0.9), C as AF sensor PS
0.01 μm to 0.002 if a CD or position sensor is used
An accuracy of about μm is realized. In this case, the linear area of the AF signal is about 1 μm.
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。In the length measuring device of FIG. 3, the AF optical system does not necessarily have the image formation (conjugation) relationship between the plane mirror PM position and the AF sensor PS position, and the fine stage AFS
With respect to the amount of movement, a system in which the differential signal of the AF sensor and the light spot position signal (defocus amount with respect to the moving direction) are linear or have characteristics close to linear may be used. If it is not linear, it is advisable to obtain the minute movement amount by storing the relationship between the movement (defocus) amount and the signal in a read only memory (ROM) and reading the movement amount according to the signal.
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、高いストロークな測長手
段の精度をさらに向上している。As described above, the length measuring device shown in FIG. 3 is a combination of a high stroke length measuring device and an optical system having an output whose signal output is almost linear with respect to the movement amount. ), The precision of the high stroke length measuring device is further improved.
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
気的に分解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。As a result, when the signal determined by the optical arrangement such as the order and polarization state of the diffracted light in the case of the conventional grating interferometer is further electrically decomposed to increase the resolution, the fluctuation of the light quantity and the fluctuation of the diffraction efficiency are caused. The problem that an error is likely to occur is solved.
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。The following points can be modified with respect to the length measuring device shown in FIG.
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。For example, in the above description, when detecting the defocus amount δ, the AF stage AFS is finely driven to the position corresponding to the Nth pulse and the N + 1th pulse, and the difference signal at both positions is detected to detect the defocus amount. By calculating δ, an accurate defocus amount δ can be obtained even when the pulse interval or the AF sensor output changes.
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。Further, the high-stroke length measuring means is not limited to the grating interferometric length measuring device, but may be another method such as a laser interferometric length measuring device.
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。The optical system mounted on the fine movement stage may be only the objective lens of the AF system and the system of the grating interferometer.
It is not necessary that the entire F system be on the fine movement stage.
また、第3図は、1軸の移動について示したが、2軸の
以上の測長についても同様に複合構造とすればよい。Further, although FIG. 3 shows the movement of one axis, a composite structure may be similarly used for measuring the length of two or more axes.
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。Although the AF system shown in FIG. 4 is the TTL-AF system,
An AF system used for an optical pickup of a DAD (Digital Audio Desk) or a video desk, or an AF system used for autofocus of a camera may be used.
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。Further, as described above, the AF system does not have to be in a so-called imaging relationship, as long as the sensor signal output is almost linear with respect to the moving direction. As long as the light spot moves linearly on the sensor surface, the point on the plane mirror surface shown in FIG. 4 and the sensor surface are not necessarily conjugate.
第16図は、本発明に関連した測長装置を測長器ユニット
としてまとめた例である。FIG. 16 is an example in which the length measuring devices related to the present invention are put together as a length measuring unit.
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MHでパルス列信号として検出す
る。This length measuring unit includes a light source L on the movable stage ST.
D, collimator lens CL, polarization beam splitter HM
1, a λ / 4 plate QW, condenser lenses GL1 and GL2, AF means PS composed of an optical position detection sensor such as a CCD, and the movement of the stage moving part ST is changed.
It is detected as a pulse train signal by the linear grating GS fixed on the stage and the read head MH arranged on the stage fixing part SS.
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。The stage moving part ST is actively moved by the actuator AT. The measurement reference plane OS of the object MO to be measured is a mirror surface with high surface accuracy.
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。The main point of this method is that the focus detection circuit FF in the detection processing circuit ED updates and stores the AF output value at that time each time it receives a pulse signal from the pulse train length measuring instrument electric system PC.
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。FIG. 17 shows the operation flow. Further, FIG. 18 shows an example of the pulse interval and the AF voltage value.
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。When it is confirmed that the object MO to be inspected has stopped, the actuator AT of the length measurement unit is driven to try to focus the autofocus on the reference surface OS to be inspected. This movement is detected by the scale GS attached to the stage movable part ST and the reading head MH to detect a change in the light amount of the interference light, and the pulse train length measuring device electric system PC counts the change in the light amount as a pulse signal to measure the length. The resolution in this case is the pulse interval Δx
(Fig. 18).
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=OVを示すと
アクチュエータATは停止する。During that time, each time the central processing system CPU receives the pulse signal, the focusing voltage V AF at that time is updated and stored. When the autofocus system shows a focus signal, that is, V AF = OV, the actuator AT stops.
そこで中央演算系のCPU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・ζ 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0.4μmピッチである。またζはAFの
感度で予め較正されているものとする。Therefore, the CPU of the central processing system calculates the length measurement distance x as x = j · Δx + Vj · ζ using the count number j that has been counted so far and the focusing voltage Vj stored last by the focusing detection system FF. Here, Δx is a moving distance corresponding to the pulse interval and is, for example, 0.4 μm pitch. Further, ζ is assumed to be calibrated in advance with the sensitivity of AF.
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。FIG. 19 shows an example of using this length measuring unit for two axes,
This is used for highly accurate positioning of an AA (automatic alignment) head of a semiconductor exposure apparatus.
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。FIG. 20 shows an example in which a laser interferometric length measuring system is used in place of the diffraction grating interferometric length measuring system of the length measuring device shown in FIG. In FIG. 20, the same or corresponding parts as in FIG. 3 are designated by the same reference numerals. In FIG. 20, the laser head LZ, the interference unit IU and the corner cube prism CP constitute a laser interference measuring system. The interference unit IU is fixed to the surface plate SP, and the corner cube prism CP is fixed to the fine movement stage AFS.
第21図は第20図の微動ステージAFS上の測光学系を示
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,CC
2、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図と同様の構成にし
てある。FIG. 21 shows an optical measurement system on the fine movement stage AFS of FIG. The beam splitter HM2 and the phase difference plate FP, which are arranged to configure the diffraction grating interference measuring optical system in FIG.
1, FP2, corner cube prism CC1, CC
2, polarization beam splitter BS and photodetector PD1,
The corner cube prism C for removing the PD2 and instead reflecting the laser light toward the laser interference unit
P is set on a table RT fixed on a fine movement stage AFS. The AF length measuring optical system has the same structure as that shown in FIG.
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付図示の光プ
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。
こるにより、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。Also in this length measuring instrument, the same procedure as that shown in FIG.
(Refer to the figure) and the length measurement is performed. That is, each time the coarse movement stage SR and the fine movement stage AFS are moved and the fine movement stage AFS or an object to be measured such as an optical probe fixed to the fine movement stage AFS moves a predetermined unit length Δx, a pulse signal is output from the laser interference system. Is output, and the distance between these pulses is interpolated by the analog length measurement output of the AF length measurement system.
Due to this, while maintaining the accuracy of the laser interference measuring system for measuring the length of a large stroke, a higher resolution (high accuracy) measuring is realized by interpolating between the pulses of this laser interference measuring system. be able to.
第22図は、本発明に関連した更に他の例を示す。FIG. 22 shows still another example related to the present invention.
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測長用のプレーズド格子GB1,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。In the figure, SM is a reference member provided with a diffraction grating corresponding to the diffraction grating GS of FIG. 4, and is fixed to one of two relatively moving objects. Optical components other than the reference member SM shown in the figure constitute a length measuring head optical system MH, which is integrally fixed and arranged on the other of the two objects. As shown in FIG. 23, the reference member SM is provided with a diffraction grating GS for grating interference length measurement, and parallel to the grating GS, the raised gratings GB1 and BG2 for AF length measurement and the AF length measurement reference. A flat surface FT that serves as a reflective surface is provided. The two blazed gratings BG1 and BG2 are arranged so as to be offset from each other by a half of the grating pitch p B in the relative movement direction (direction of arrow A) between the reference member SM and the measuring head optical system MH.
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。In FIG. 22, the light source LD1, the half mirror HM2, the phase difference plates FP1 and FP2, the mirrors CP1 and CP2, the polarization beam splitter BS, and the photodetectors PD1 and PD2 form an interferometric length measurement optical system. The interferometric length measuring optical system and the grating interferometric length measuring grating GS on the reference member SM correspond to the optical system and sensor for generating the pulse train described in FIG.
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。Light source LD2, collimator lens CL, half mirror HM
11, HM12, objective lenses LN1 and LN2, and optical position detectors PS1 and PS2 form two sets of AF length measurement optical systems. Each AF length measuring optical system is configured to be optically equivalent to that described in FIG. Also, these A
As shown in FIG. 24, the F length measuring optical system is arranged so as to focus near the surfaces of the blazed gratings BG1 and BG2 on the reference member SM.
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。Further, the light source LD3 such as a semiconductor laser and the light spot position detection sensor PS3 are for detecting the relative inclination between the detection surface of the length measuring head optical system MH and the reference member SM. The light spot position detection sensor PS3 receives the reflected light from the area FS to obtain a parallelism detection signal between the reference member SM and the length measurement optical system MH. ing.
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)と関係
を示す。ブレーズド格子BG1,BG2のピッチを
pB、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。FIG. 25 shows pulse train signals output from the grating interferometer length measuring system of FIG. 22 and blazed gratings BG1 and B on the reference member SM.
The relationship with the cross-sectional shape of G2 (hence the output of the AF length measurement system) is shown. The pitch of the blazed gratings BG1 and BG2 is p B , and the height difference is H. The pitch p B is set to an even multiple, for example, 10 times the period Δx of the pulse train of the grating interference measuring system.
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,……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BG1
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S
M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M
Hに対して相対的にどちらに移動しているかは、格子B
G1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。At the time of length measurement in this device, the pulse train of the grating interference length measurement system counts the cumulative number ... N-1, N, N + 1 ,. The AF measuring systems for measuring the surface positions of the blazed gratings BG1 and BG2 are switched to the AF measuring system on the side of the grating BG2 immediately before the step of the grating BG1, and the AF measuring system of the grating BG1 side immediately before the step of the grating BG2. Switch to long system. That is, when the relative movement of the reference member with respect to the length measuring head MH is such that the reference member SM moves in the negative direction of the x-axis in FIG. 25, as shown in FIG.
BG1 from the BG2 side at the timing of the (N-1) th pulse
The BG1 side is switched to the BG2 side at the timing of the N + 4th pulse. Reference member S
When the relative movement direction of M is the positive direction of the x-axis, the reverse direction switching is performed. The reference member SM is the measuring head optical system M.
To which direction the movement is relative to H depends on the lattice B
It can be determined by the AF length measurement signals corresponding to G1 and BG2. Therefore, the switching direction may be performed based on this discrimination information.
ブレ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。The output signal (AF signal) of the AF length measuring system focused near the surface of the blazed grating changes as the defocus amount of the AF length measuring optical system changes as the reference member SM relatively moves. Therefore, the movement of the reference member SM in the x-axis direction can be taken out as information in the height direction of the surface of the blazed grating. In this case, in order to use the region (see FIG. 12) where the characteristic of the AF measurement signal with respect to the defocus amount is linear, the height H of the blazed grating needs to be smaller than the height at which the linearity of the AF signal is guaranteed. There is.
For example, the differential output signal ΔI on the sensor surface of the AF system at the center of the long side of the blazed grating (see FIGS. 11 and 12).
If 0 is set to 0, that is, if focusing is performed, a signal of high and low amount δ is obtained at the position of point K in FIG.
The length in the x-axis direction from the point C to the point K is obtained as δ · H / p B. Therefore, if the pulse train corresponding to the point C is the Nth pulse train, the position of the point K is obtained as N · Δx + δ · H / p B.
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。Further, as shown in FIG. 26, the AF detection voltage V AF at that time is stored each time a pulse signal is generated from the interferometric length measurement system,
The interpolation may be performed based on the difference voltage from the voltage V AF until the next pulse signal is generated.
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。When the light for AF length measurement is incident on the blazed grating, it is preferable to set the surface between the incident light and the reflected light so as to be close to the direction perpendicular to the relative movement direction of the reference member SM.
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エ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。The blazed lattice can be manufactured by a known method such as a manufacturing method by wet etching using the relationship between the crystal orientation of the Si wafer and the etching speed, a mechanical processing method by a so-called ruling engine, or a manufacturing method by lithographic and dry etching. .
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≒
1μm、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ΔI(S)として求められるAF制度は0.0025μm
であった。また、基準格子SMと測長ヘッド光学系MH
との相対移動量の測長精度は0.007 μmであった。The grating pitch for grating interferometry is 1.6 μm and the pulse train period of the grating interferometry is 0.4 μm.
Using objective lenses LN1 and LN2 of 0 (NA≈0.9),
As a blazed grating, pitch p B ≈ 3 μm, height difference H ≈
The linear range of the AF signal is a little less than 1 μm when the one having a tilt angle θ of 18 ° with respect to the plane FS of 1 μm is used.
Differential output maximum value (I A -I B) max is about 2Volt, noise (N) was 5 mV. The AF accuracy calculated as the differential output ΔI (S) when S / N = 1 is 0.0025 μm
Met. Also, the reference grating SM and the measuring head optical system MH
The measurement accuracy of the relative movement amount was 0.007 μm.
なお、この例において、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。In this example, the large stroke length measuring device is not limited to the grating interference length measuring device, but may be another length measuring device such as a laser interference length measuring device capable of obtaining a length measurement pulse signal.
また、第22図で各AF測長系は例の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。Further, in FIG. 22, each AF length measurement system is not limited to the TTL-AF system of the example, but an optical pickup system used for a DAD (Digital Audio Desk) or a video desk, or a system used for autofocus of a camera. It is also possible to use one.
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。Further, either the reference member SM or the length measuring head optical system MH may move, or both may move.
さらに、上記例においては、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 ,PR2
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。Further, although two rows of blazed gratings are used in the above example, as shown in FIG. 27, two autofocus probe systems PR1 and PR2 are provided in one row of blazed gratings.
May be attached. In this case, it is preferable to aim the point between the two probes that is substantially shifted by half the pitch of the blazed grating.
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
信号の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。In the length measuring device of FIG. 22, a blazed grid pattern is provided between the pulses of a length measuring device that outputs pulse signals at intervals corresponding to a fixed length, such as a grating interference measuring device or a laser interference measuring device. High precision (high resolution) focusing on the surface shape of the member Interpolation by the length measurement value of the AF length measuring means with a small stroke keeps the high precision of the pulse generation position of the length measuring instrument that generates the pulse. As it is, the pulse interval is further decomposed to achieve high accuracy,
High-resolution measurement can be realized.
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と微動ステ
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変換し
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。Further, since the AF length measuring means has a very small stroke of, for example, about 1 μm, in the example of FIG.
The stage with a measuring head has a two-stage structure including a moving stage SR and a fine moving stage AFS. Here, a blazed grid-like member formed by repeatedly arranging slopes having minute height differences is used to measure the moving direction of the object to be measured. Since the displacement for a small stroke is converted into the displacement in the direction intersecting with this moving direction and then the displacement is measured, if the height difference of the blazed lattice member is set to be within the stroke of the AF length measuring means, the AF means It is possible to measure the small stroke displacement amount of the large stroke movement without moving.
さらに、2列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。Further, two rows of blazed grid-like members are arranged with their step positions displaced in the movement direction, or a point of the one row of blazed grid-like members that is displaced by about a half pitch is used as a target for AF measurement, and the step of the blazed grid-like members is changed. By switching the target member or position of AF length measurement before and after, and not using the AF length measurement signal at the portion where the surface shape of the blazed grid-like member is indeterminate, higher accuracy can be achieved.
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。FIG. 28 shows a diffraction grating interferometer with no corner cube. In the figure, the relative movement diffraction grating GS is fixed to one of the two objects that move relative to each other, and the length measuring head unit MH is fixed to the other of the two objects.
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。Laser light emitted from the light source LD of the length measuring head unit MH, for example, a semiconductor laser, becomes a plane wave at the collimator lens CL, and is split into two light fluxes at the half mirror HM20. The two light beams L01 and L02 are incident on the λ / 4 plates QW1 and QW2, respectively, and then diffracted by the fixed gratings GF1 and GF2, and the ± N-order diffracted lights LN1 and LN2 enter the relative moving grating GS,
Here, it again undergoes reflection diffraction, returns in the same direction, and merges.
This light is divided by half mirrors HM21 to HM23, and a polarizing plate PP
A combination of 1 to PP4 and sensors (photodetectors) PD1 to PD4 is converted into an electric signal and taken out.
ここで、光束L01,L02中に置かれているλ/4 板QW
1 ,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。Here, the λ / 4 plate QW placed in the luminous fluxes L01 and L02
1 and QW2 are set such that the fast axes are + 45 ° and -45 ° with respect to the linearly polarized light of the laser light. The angles of the polarization plates PP1 to PP4 are set so that the polarization directions are 0 °, 45 °, 90 ° and 135 °, respectively.
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。Then, the amount of light incident on the sensors PD1 to PD4 changes as shown in FIG. 29 as the relative movement grating GS moves.
This is obtained as the light amount detection output. In other words, the outputs of each of the sensors PD1 to PD4 are out of phase by 90 °.
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。FIG. 30 shows the state of the diffracted light beam when the output wavelength of the light source LD changes in the length measuring device of FIG. In FIG. 30, the optical path of the light beam in the best adjusted state is shown by a solid line, and the optical path when the wavelength is changed is shown by a dotted line and an alternate long and short dash line. The outputs of the sensors PD1 to PD4 when there is a wavelength change are as shown in FIG. 31, and a so-called bias amount unrelated to the moving amount of the relative moving grating GS is added to this output. The reason for this is that, as shown in FIG. 30, the area of the light flux where the interference fringes do not stand other than the interference area shown by the diagonal lines increases, and the area of the area where the interference fringes do not stand changes depending on the amount of wavelength fluctuation. .
Therefore, the fluctuations shown in the output signal waveforms of the photodetectors PD1 to PD4 in FIG. 31 occur. However, when processing is performed based on four detection signals whose phase changes every 90 °, even if a wavelength change occurs, division with respect to the signal period can be performed accurately. If the sensor is 2
If only four pulses are used and two signals with phases of 0 ° and 90 ° are electrically processed, it is possible to obtain a pulse with the same pitch as when four sensors are used. , The electrical division accuracy of the obtained signal becomes poor. This is the same as described above with reference to FIGS.
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。Further, in the structure shown in FIG. 6, the light entering the grating GS at the point P1 changes in the diffraction direction (angle) when the wavelength of the light source LD changes.
Will change. Corresponding to this characteristic, corner cubes (prisms) CC1 and CC2 are arranged. A corner cube is a prism formed by processing the angle between the multiple surfaces to 90 ° so that the light is reflected back in the same direction as the incident light. However, this corner cube requires high precision in processing, which increases cost.
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。In the apparatus of FIG. 28, in addition to the moving grating GS, a diffraction grating (fixed gratings GF1 and GF2) is also provided on the side of the measuring head MH, and the ± Nth order light of the fixed grating is re-diffracted by the moving grating, and The diffracted light has the same optical path and reaches the sensor. Therefore, as described above, even without the corner cube, it is possible to obtain interference light whose brightness changes according to the movement of the moving grating even when the wavelength changes. That is, since this grating interferometer has good stability against wavelength fluctuations without a corner cube, the cost of the device can be reduced. In addition, it becomes easy to make an IC as shown below.
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。For example, a grating interferometer with a configuration as shown in FIG.
D, polarizing mirror BS, corner cube CC1, CC2
, The polarizing plates PP1 and PP2, the detectors PD1 and PD2, etc. are separately combined to form a three-dimensional structure. Therefore, there is a disadvantage that an error is mixed in the interference signal due to mechanical fluctuation between optical members, temperature change, and air fluctuation, which deteriorates the measurement accuracy. Further, since the light source and the detection system are separately attached, the volume occupied in space is large, and the size cannot be reduced. Furthermore, there is a problem in that noise is likely to enter due to the spatial distance from the detection system to the processing circuit, which deteriorates measurement accuracy.
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本発明の一実施例の測長
装置の構成を示す図である。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。FIG. 32 is a diagram showing the configuration of a length measuring apparatus according to an embodiment of the present invention in which the above-mentioned drawbacks are solved by integrating the main part of the grating diffraction length measuring device into an IC. Here, an example in which a portion corresponding to the optical system of the length measuring head portion MH of the length measuring device of FIG. 28 and a signal processing electric system for generating a pulse in accordance with the brightness of the interference light are formed on the GaAs substrate. Indicates.
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。A dielectric waveguide WG layer is formed on the GaAs substrate SB, and a light wave propagates through a preset optical path.
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。The light source LD can be formed on the GaAs substrate SB by, for example, MBE (molecular beam epitaxy). Lens and heme splitter L formed in the waveguide WG
S makes the divergent light from the light source LD parallel light and then divides it into two directions. The grating couplers GC1 and GC2 emit the light waves propagating through the thin film waveguide WG into the space at a certain angle.
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。The reference diffraction grating GS corresponds to the moving grating GS of the length measuring device shown in FIG. 28, and includes the grating couplers GC1 and G1.
Diffract the light wave from C2 in the same direction. The photodetector PD detects the interference light intensity of the diffracted light from the reference diffraction grating GS.
次に動作を説明する。Next, the operation will be described.
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。The light wave from the light source LD propagates in the waveguide WG, and propagates in the waveguide WG as parallel lights L01 and L02 having two different directions by the lens and the beam splitter unit LS. The respective lights L01 and L02 are reflected in the waveguide WG by the mirrors MR1 and MR2 so as to be parallel to the longitudinal direction of the reference grating GS, and enter the grating couplers GC1 and GC2.
The grating couplers GC1 and GC2 emit the light waves, which have propagated in the waveguide WG up to that point, from the substrate surface to the outside through the waveguide surface at a certain set angle. This angle is related to the pitch of the reference grating GS and the wavelength of light, and the pitch p = 1.6
When the reference grating of μm is used, the exit angle is 58.8 ° when the wavelength is λ = 0.83 μm.
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。The two light waves from the grating couplers GC1 and GC2 are vertically diffracted by the reference diffraction grating GS and then detected by the photodetector PD.
to go into. The photodetector PD photoelectrically converts the interference intensity of the two diffracted lights.
次に測長器としての動作原理を説明する。Next, the operating principle of the length measuring device will be described.
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。The light waves emitted into space by the grating couplers GC1 and GC2 are diffracted on the reference grating GS, and the intensity distribution of the diffracted light at that time is expressed by the following formula.
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
子で回折される回折次数 である。 Here, x is the relative change amount between the substrate and the reference grating, p is the pitch of the reference diffraction grating, m is the diffraction order at which the light from the grating coupler GC1 is diffracted by the reference diffraction grating, and n is the light from the grating coupler GC2. Is the diffraction order diffracted by.
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。Now, assuming that m = + 1, n = -1, and p = 1.6 μm, I becomes Therefore, it can be seen that every time the reference grating GS moves by 0.1 μm pitch, it becomes a sine wave signal of one cycle. The detector PD can measure the amount of movement of the reference grating GS by counting the period of this sine wave signal.
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。Since this grating interferometer length measuring device integrates a light source, an optical member, and a detection system processing circuit on the same substrate, downsizing,
Low noise and high accuracy are possible.
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。Next, a means for detecting the moving direction of the reference grid GS will be described.
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。In order to detect the moving direction, it is necessary to obtain two signals that are 1/4 cycle out of phase.
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。As a concrete method, for example, as shown in FIG.
S to the direction of movement (For example, if m = 1, n−1, 1/8 pitch) The phases are shifted to form two grid line arrays GL1 and GL2.
Further, two photoelectric detectors PD1 and PD2 are formed on the substrate SB in correspondence with each grid line array.
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。Diffracted light from each of the grid line arrays GL1 and GL2 is received by spatially separated sensors PD1 and PD2.
The signal thus obtained can be obtained as a signal with a phase shift of 1/4 period as shown in FIG.
第35図は、格子干渉測長器を光ヘテロダイン化した本発
明の他の実施例の構成を示す図である。FIG. 35 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention in which the grating interferometer is made into an optical heterodyne.
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。In this case, the frequency shifter FS such as SAW (S
By inserting the urface Acoustic Wave device, it is possible to obtain a light wave whose frequency is shifted by Δf which is the oscillation frequency of the oscillator OSC with respect to the frequency f 0 of the output light from the light source LD. These frequencies f 0 and f
Each of the 0 + Δf light waves is grating coupler GC1.
And the grating line array is incident on the reference grating GS of one row via GC2 and the diffracted light by the reference grating GS is received by the photodetector PD.
光検出器PDで直接得られる信号は、 となり、位相検出回路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。The signal obtained directly at the photodetector PD is Therefore, by detecting the phase difference with the output signal of the oscillator OSC by the phase detection circuit PSD, the movement amount and the movement direction of the reference grating GS can be detected as in the above-described embodiment.
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)を用いる必要がなく、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。The feature of this device is that it is not necessary to use a special grid for discriminating directions (for example, see FIG. 33), and time averaging can be performed in a shorter time, so that the movement amount can be detected with high accuracy.
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。In addition, in the IC for length measuring instrument of FIGS. 32 and 35,
A GaAs substrate is used as the substrate SB.
i It may be on the substrate. In that case, the light source LD is externally attached.
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。In this way, by integrating the optical system other than the reference grating and the signal processing electric system on a single board in the grating interferometer, it is unnecessary to assemble and adjust, and it is resistant to disturbance, small and lightweight, and highly accurate. It is possible to measure length.
第1図は、本発明に関連した測長装置の概観図、 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に関連した
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
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
本発明に関連した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
格子回折側長器の構成図、 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、 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FIG. 1 is a schematic view of a length measuring apparatus related to the present invention, FIG. 2 is a partially enlarged view of an arrangement space for optical probes and the like in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic view of the present invention set on a uniaxial stage. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a related length measuring device, FIG. 4 is a configuration explanatory diagram of the length measuring head in FIG. 3, FIG. 5 is an output waveform diagram of the photodetector in FIG. 4, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view of the action of the grating interferometric length measuring system, FIG. 7 is an explanatory view of polarization azimuth rotation of the detection light in the configuration of FIG. 6, and FIG. 8 is the phases 0 ° and 180 in the configuration of FIG. Signal waveform diagram of °, Fig. 9 is a diagram showing an example of the configuration for extracting signals of phases 0 ° and 180 ° in the configuration of Fig. 6, and Fig. 10 is a function of the AF length measuring system in Fig. 4. Fig. 11 and Fig. 11 show the spot state and light quantity on the position sensor surface with respect to the position of the plane mirror in Fig. 10. Shows a fabric, FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the position of the differential signal ΔI (= I A -I B) and the plane mirror that is created from the output of the position sensor (defocus amount), FIG. 13 is a flowchart showing the operation of the length measuring device of FIG. 3, FIG. 14 is an output signal characteristic diagram of the grating interference measuring system in the length measuring device of FIG. 3, and FIG. 15 is FIG. Fig. 16 is a diagram showing the output signal characteristics of the AF length measuring system in the length measuring device, Fig. 16 is a block diagram showing an embodiment in which the length measuring unit is put together, and Fig. 17 shows the operation of the length measuring unit shown in Fig. 16. FIG. 18 is a characteristic diagram showing the relation between the grating interference measurement pulse signal and the AF measurement output voltage in the length measuring unit of FIG. 16, and FIG. 19 shows the length measuring unit of FIG. Fig. 20 is a schematic configuration diagram when it is used for two axes, and Fig. 20 shows an example of using a laser interferometer as the interferometer. Fig. 21 is a diagram showing details of the length measurement optical system on the fine movement stage in Fig. 20, Fig. 22 is a constitution diagram of an example of AF length measurement using a blazed grating, Fig. 23 Is a perspective view of the reference member on which the blazed grating is formed, FIG. 24 is an explanatory view showing a positional relationship between the blazed grating and the AF length measuring system in FIG. 22, and FIG. 25 is a grating in FIG. A characteristic diagram showing the relationship between the output pulse train signal of the interferometric measuring system and the output of the AF measuring system, FIG. 26 shows the relationship between the reference member position and the AF measuring signal switching state in the modified example of FIG. Explanatory diagram showing, FIG. 27 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the blazed grating and the AF length measuring system in another modification of the example of FIG. 20, FIG. 28 is a book constructed without using a corner cube Fig. 29 is a block diagram of a diffraction grating interferometer according to the present invention. Output waveform diagram of the detector, Fig. 30 is an explanatory diagram showing the state of the diffracted light flux when the output wavelength of the light source changes in the length measuring device of Fig. 28, and Fig. 31 shows the light source wavelength fluctuation in Fig. 28. 32 is an output waveform diagram of each photodetector at the time, FIG. 32 is a configuration diagram of a grating diffraction side length measuring device according to an embodiment of the present invention in which a main part is integrated, FIG. 33 is a length measuring device of FIG. FIG. 34 is an enlarged view of an essential part showing a modified example of FIG. 34, FIG. 34 is an output waveform diagram of each photodetector in the length measuring device of FIG. 33, and FIG. 35 is still another modification of the length measuring device of FIG. , DS: Stage base XS: X stage YS: Y stage LI: Laser interferometer, CP: Corner cube prism DV: Optical probe placement space DFS: Small stroke stage base XFS: Small stroke X stage YFS Small stroke Y stage LP: Optical probe SX: x direction Standard scale HX: x-direction length measurement head MX: x-coordinate detection length measurement device SY: y-direction reference scale HY: y-direction length measurement head MY: y-coordinate detection length measurement device SR: moving stage GS: diffraction grating (reference Scale, moving grid) MH: Length measuring head SP: Surface plate PM: Planar mirror AFS: Fine movement stage (AF stage) FD: Fine drive mechanism LD: Light source CL: Collimator lens HM: Beam splitter (or half mirror) CC: Corner Cube prism (or prism mirror) BS: Polarizing beam splitter PD: Photodetector (detector, photosensor) LN: Objective lens PS: Optical position detector (sensor) ST: Stage moving part QW: λ / 4 plate GL: Collection Optical lens SS: Stage fixed part AT: Actuator MO: Object to be inspected OS: Measurement reference plane ED: Signal processing electrical system PC: Pulse train length measuring device Electric system FF: Focus detection system CPU: Central control calculation system LZ: Laser head IU: Interference unit SM: Reference member BG: Blazed grating FT: Plane serving as a reflection surface FP: Phase difference plate GF: Fixed grating PP: Polarizing plate SB: GaAs substrate WG: Dielectric waveguide layer LS: Lens and Heme splitter part GC: Grating coupler FS: Frequency shifter OSC: Oscillator PSD: Phase detection circuit MR: Mirror WP: Wollaston prism AP: aperture
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 雄吉 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−196119(JP,A) 特開 昭59−218915(JP,A) 特開 昭57−207805(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yukichi Niwa 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (56) References JP 61-196119 (JP, A) JP 59 -218915 (JP, A) JP-A-57-207805 (JP, A)
Claims (8)
の回折格子に対向する様に配置され且つ該回折格子の略
配列方向に該回折格子と相対的に移動可能に配設される
為の基体と、該基体の前記回折格子への対向面上に設け
られ且つ光束を前記対向面に沿って導く導波路層と、該
導波路層に設けられ且つ前記光源からの光束を2つの光
束に分割する手段及び分割された各光束を夫々前記対向
面に交差する方向に偏向することにより前記導波路層か
ら空間の特定箇所へ向けて出射する手段とを設けた光集
積回路と、前記導波路層から出射され前記回折格子によ
り回折された、相互に干渉し合った光を受光する光検出
手段とを具備することを特徴とする変位測定装置。1. A light source for generating a light flux and a surface are arranged so as to face a diffraction grating as a standard scale, and are arranged so as to be movable relative to the diffraction grating in a substantially arrangement direction of the diffraction grating. And a waveguide layer provided on the surface of the substrate facing the diffraction grating and guiding the light flux along the facing surface, and a light flux from the light source provided on the waveguide layer. An optical integrated circuit provided with means for splitting into a light flux and means for emitting each of the split light fluxes from the waveguide layer toward a specific location in space by deflecting each of the split light fluxes in a direction intersecting with the facing surface; A displacement measuring device, comprising: a light detecting unit that receives light beams emitted from a waveguide layer and diffracted by the diffraction grating and interfering with each other.
範囲第1項記載の変位測定装置。2. The displacement measuring device according to claim 1, wherein the substrate is a GaAs substrate.
第1項記載の変位測定装置。3. The displacement measuring device according to claim 1, wherein the substrate is a Si substrate.
基板へ垂直回折され相互干渉して入射する回折光を検出
する光電変換手段と、該光電変換手段の出力を処理する
処理回路とを含む特許請求の範囲第2または3項記載の
変位測定装置。4. A photoelectric conversion unit that detects diffracted light that is vertically diffracted from the diffraction grating to the substrate and interferes with each other and is incident on the optical integrated circuit, and a processing circuit that processes an output of the photoelectric conversion unit. The displacement measuring device according to claim 2 or 3, including the claims.
求の範囲第2項記載の変位測定装置。5. The displacement measuring device according to claim 2, wherein the light source is included in the optical integrated circuit.
向状態及び前記回折光の次数等の光学配置によって定ま
る前記干渉光の明暗変化の周期の1/4周期に対応する
ピッチだけ前記相対移動方向にずらして配置し、前記光
検出手段により各格子線列からの回折光による干渉光を
別個に検出する特許請求の範囲第1〜5項のいずれか1
つに記載の変位測定装置。6. A pitch corresponding to 1/4 cycle of a cycle of light-dark change of the interference light, which is determined by an optical arrangement such as a deflection state of the light and an order of the diffracted light, wherein two rows of grating lines are provided in the diffraction grating. 7. The interfering light caused by the diffracted light from each lattice line array is separately detected by displacing only in the relative movement direction, and the light detecting means separately detects the interference light.
Displacement measuring device described in.
の周波数を△fだけ遷移する周波数シフタと、前記光検
出手段の出力の該遷移周波数△fに対する位相差を検出
し、前記相対移動量および移動方向を検知する手段とを
含む特許請求の範囲第1〜5項のいずれか1つに記載の
変位測定装置。7. The optical integrated circuit detects a frequency shifter that shifts the frequency of one of the two light fluxes by Δf, and a phase difference of the output of the photodetection means with respect to the transition frequency Δf, and detects the phase difference. The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 5, further comprising means for detecting a moving amount and a moving direction.
き物体に対向する様に配置され且つ該物体と相対的に移
動可能に配設される為の基体と、該基体の前記物体への
対向面上に設けられ且つ光束を前記対向面に沿って導く
導波路層と、該導波路層に設けられ且つ前記光源からの
光束を2つの光束に分割する手段及び分割された各光束
を夫々前記対向面に交差する方向に偏向することにより
前記導波路層から空間の特定箇所へ向けて出射する手段
とを設けた光集積回路と、前記導波路層から出射され前
記物体により作用された、相互に干渉し合った光を受光
する光検出手段とを具備することを特徴とする変位測定
装置。8. A light source for generating a light beam, a base body whose surface is disposed so as to face an object whose displacement is to be measured, and which is arranged so as to be movable relative to the object, and the object of the base body. A light guide layer provided on the surface facing the light guide and guiding the light flux along the light facing surface, means for dividing the light flux from the light source and dividing the light flux into two light fluxes, and each light flux divided. And an optical integrated circuit provided with means for emitting light from the waveguide layer toward a specific location in space by deflecting the light beams in a direction intersecting with the facing surface, respectively, and emitted from the waveguide layer and acted by the object. Further, the displacement measuring device is provided with a light detecting means for receiving lights that interfere with each other.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62112264A JPH0648170B2 (en) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Displacement measuring device |
| FR8806317A FR2615281B1 (en) | 1987-05-11 | 1988-05-10 | DEVICE FOR MEASURING A RELATIVE MOTION DISTANCE OF TWO MOBILE OBJECTS IN RELATION TO ONE ANOTHER |
| DE3844935A DE3844935C2 (en) | 1987-05-11 | 1988-05-11 | Distance measurement system |
| DE3816247A DE3816247C2 (en) | 1987-05-11 | 1988-05-11 | Device for measuring a relative movement of two objects that can be moved relative to one another |
| GB8811133A GB2205397B (en) | 1987-05-11 | 1988-05-11 | A distance measuring system |
| US07/542,656 US5000572A (en) | 1987-05-11 | 1990-06-25 | Distance measuring system |
| GB9104933A GB2241780B (en) | 1987-05-11 | 1991-03-08 | A distance measuring system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62112264A JPH0648170B2 (en) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Displacement measuring device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63277924A JPS63277924A (en) | 1988-11-15 |
| JPH0648170B2 true JPH0648170B2 (en) | 1994-06-22 |
Family
ID=14582350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62112264A Expired - Fee Related JPH0648170B2 (en) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Displacement measuring device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0648170B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105698684A (en) * | 2016-03-24 | 2016-06-22 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Two-dimensional position optical measurement system based on parallel splicing of multi-linear-array CCD |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2560513B2 (en) * | 1990-03-29 | 1996-12-04 | 株式会社ニコン | Diffraction interference encoder |
| DE4013566A1 (en) * | 1990-04-27 | 1991-11-07 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Photoelectric angle-measuring device esp. for machine tool |
| JPH0642914A (en) * | 1992-07-24 | 1994-02-18 | Canon Inc | Displacement measuring apparatus |
| DE60332681D1 (en) * | 2002-01-22 | 2010-07-08 | Ebara Corp | Stage apparatus |
| JP4559056B2 (en) * | 2003-10-17 | 2010-10-06 | ソニーマニュファクチュアリングシステムズ株式会社 | Displacement detector |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57207805A (en) * | 1981-06-17 | 1982-12-20 | Hitachi Ltd | Displacement measuring device |
| JPS59218915A (en) * | 1983-05-27 | 1984-12-10 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Light guide type sensor |
| JPS61196119A (en) * | 1985-02-27 | 1986-08-30 | Omron Tateisi Electronics Co | Waveguide type photosensor |
-
1987
- 1987-05-11 JP JP62112264A patent/JPH0648170B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105698684A (en) * | 2016-03-24 | 2016-06-22 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Two-dimensional position optical measurement system based on parallel splicing of multi-linear-array CCD |
| CN105698684B (en) * | 2016-03-24 | 2018-08-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Two-dimensional position optical measurement system based on parallel splicing of multi-linear-array CCD |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63277924A (en) | 1988-11-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5000572A (en) | Distance measuring system | |
| EP2150770B1 (en) | Optical distance sensor | |
| US7471397B2 (en) | Position-measuring device | |
| CN100535767C (en) | Focusing leveling measuring method and device | |
| JP2586120B2 (en) | encoder | |
| US5122660A (en) | Distance measuring system utilizing an object with at least one inclined surface | |
| EP0469718A2 (en) | Laser interferometry length measuring apparatus | |
| JPH073344B2 (en) | Encoder | |
| JP2629948B2 (en) | encoder | |
| JPH068726B2 (en) | Length measuring device | |
| JP2697919B2 (en) | Signal interpolation circuit and displacement measuring device provided with the circuit | |
| US4711576A (en) | Wave front aberration measuring apparatus | |
| JPH0718714B2 (en) | encoder | |
| CN118882474A (en) | An improved grating interferometer for measuring displacement outside the grating and a displacement measurement method | |
| JPH0648170B2 (en) | Displacement measuring device | |
| JP3457047B2 (en) | Confocal 3D measuring device | |
| JPH0648169B2 (en) | Length measuring device | |
| JPS63277925A (en) | Length measuring instrument | |
| JPS59163517A (en) | optical scale reader | |
| JPS63277923A (en) | Length measuring instrument | |
| JP7736467B2 (en) | Displacement detection devices and interferometers | |
| GB2241780A (en) | Measuring distance | |
| JPS63277904A (en) | Length measuring instrument | |
| CN116086310A (en) | High-precision positioning measurement method and device based on KB mirror nano experiment system | |
| JPH04351905A (en) | Xy stage possessing laser length measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |