JPH064247Y2 - 移動台の移動距離測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、光干渉計をセンサとして備えた移動台の移
動距離を精密に計測する測定装置に係わり、特に、移動
台の回動を検出することにより移動距離測定に誤差を生
じないようにした移動台の移動距離測定装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の光干渉計を用いて、Ｘ−Ｙ２軸移動台の移動量を
測定する移動距離測定装置においては、光干渉計を構成
する移動鏡として、入射ビームと出射ビームの方向とが
一致するコーナキューブが利用できないので、平面鏡が
用いられていた。このような装置にあっては、移動台が
ヨーイングまたはピッチングなどで回動することに起因
して、移動鏡に傾き変動を生じたり、移動台上の測定点
位置の選定によっては、移動台の移動距離測定に誤差を
生じるので、このような測定誤差を生じないようにする
ため、これまでは高性能の光干渉計を２台用いて、移動
台の回動を補償する精密な移動距離測定装置があった。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このように構成された移動台の移動距離
測定装置には次のような問題があった。前述したよう
に、移動鏡として平面鏡を用いた移動台の移動距離測定
装置において、移動台が回動すると、移動台に傾き変動
が生じ、その結果、不要なフリンジの生成と受光量の低
下が原因して干渉信号のＳ／Ｎが低下する。

また、上記のような回動があると、移動台上で選定した
測定点の位置によっては、移動台の移動距離測定に誤差
を生ずる原因になっていた。

これを詳述すれば、移動台のヨーイング等により移動鏡
にθの傾きが生ずると、第２図に示すように、移動鏡か
らの反射光Ｍは固定鏡の反射光Ｆに対して２θの交差角
をもって干渉する。この場合、光電変換器又は受光器Ｄ
の受光面のｙ方向の位置で異なる光路差ｄ＝ｙ・sin２
θが生じ、干渉光Ｉは、一般に Ｉ＝Ｉａ・cos（4πx/λ＋2πd/λ＋φ_O）＋Ib と表わされる。ここに、λは波長、Ｉaは振幅成分、Ｉb
及びφ_Oは一定な光量及び移送差を表わす。

検出すべき移動変位量ｘは、余弦式の位相項として表わ
され、上記光路差によりｙ方向の位置で異なる位相差
（２πｄ／λ）が含まれる。

受光信号は、受光面のｘ及びｙ方向について各点の受光
量（上式のＩ）を全範囲で積分した値として表わされる
が、上記位相差２πｄ／λが大きいと、cos ４π ｘ
／λ の信号成分が得られなくなると云う問題がある。

一方、受光面を小さくすれば、上記問題は、解消する
が、信号レベルの低下は、避けられず、S/N改善には特
別な手段を施こさなければならないと云う問題があっ
た。

具体的に数値例をあげると、例えば受光器Ｄの寸法がｙ
_１＝２mmのとき、傾き角が θ＝0.16mradであると、そ
の両端での位相差はＨe−Ｎeレーザ光の波長λが６３３
nmであるので、ｙ_１（sin２θ）／λ≒１となり、２π
ｙ_１（sin２θ）／λ≒２πとなってしまう。

また、高性能の光干渉計を複数台用いて、移動台の回動
を補償する精密な移動距離測定装置にあっては、構造的
に大形・複雑となり、また高価になると云う問題があっ
た。

本考案は、上記問題を解決するものであり、その目的と
するところは移動台のヨーイング及びピッチングの検出
ができ、演算補正により性能の劣る移動台にも適用で
き、かつ高精度の測定を可能にする移動台の移動距離測
定装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案は、光源として、平行偏光光束と垂直偏光光束と
が異なる光周波数で発振する直交二周波レーザ光源を用
い、受光面が複数に分割された受光器を採用することに
より、前記位相差２π ｄ／λの検出信号を得て、この
信号により固定鏡の角度を制御する方法を採用した光干
渉計を構成する。そして、この検出した位相差２π ｄ
／λを常に０とするように固定鏡の角度を制御すること
により前記問題を解決し、また角度の制御量より、ヨー
イング及びピッチングを検出して、高精度の移動距離測
定を可能としたものである。

〔作用〕

このような手段を備えた移動台の移動距離測定装置であ
れば、直交二周波光源より出射した偏光光束を無偏光ビ
ームスプリッタで二つの光束に分割し、その一つの光束
を第１の光電変換器で受光して二つの偏光光束の差周波
数の電気信号ＦＦを発生させ、この電気信号を位相検出
の基準信号とすることができる。また他の光束を偏光干
渉計に導入して、移動台に設けられた移動鏡の位置と傾
き角度情報とを含む光束を、その受光面が２分割された
第２の光電変換器で受光して二つの電気信号ＳＦ，ＳＳ
にすることができる。この二つの電気信号ＳＦ，ＳＳか
ら位相差を検出し、検出された位相差に基づいて偏光干
渉計の固定鏡を駆動するアクチュエータを制御すること
ができる。このアクチュエータにより前記検出された位
相差が０となるように制御することによって移動台の回
動を補償することができる。一方、前記電気信号ＦＦ
と、該電気信号をπ／２移相器を通して得られる電気信
号ＦＳと、前記電気信号ＳＦとに基づいて移動台の移動
距離を算出することができる。

〔実施例〕

以下本考案の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は実施例としての移動台の移動距離測定装置の概
略構成を示すブロック図である。ただし、光学系は平面
図を示してあり、垂直方向を回転軸とした移動台の傾き
検出及び回動補償を説明するためのものである。

まず、直交二周波光源１から出射した平行偏光光束２、
及び垂直偏光光束３を無偏光ビームスプリッタ４で分割
し、検光子５及び第１の光電変換器６により干渉信号Ｆ
Ｆを得る。上記二つの偏光光束の差周波数をｆとすると
この信号ＦＦは ＦＦ＝Ｉａ_１ cos（２πｆｔ＋φ_１）＋Ｉb₁ と表わすことができ、位相検出の基準信号となる。一方
無偏光ビームスプリッタ４の透過光束は、偏光干渉計３
０に入射させ、移動台７の移動変位量ｘの検出用とす
る。

偏光干渉計３０は、偏光ビームスプリッタ８、二つの１
／４波長板９Ａ，９Ｂ、移動鏡１０、固定鏡１１、及び
検光子１２で構成されている。この偏光干渉計よりの出
力信号は、第３図に示す受光面が２分割された第２の光
電変換器１３で検出され、二つの信号ＳＦとＳＳを発生
する。これらの信号ＳＦ，ＳＳは ＳＦ＝Ｉa₂ cos（２πｆｔ＋４π x/λ＋φ_２）＋Ｉb₂ ＳＳ＝Ｉa₃ cos（２πｆｔ＋４π x/λ＋２π d/λ＋
φ_２）＋Ｉb₃ と表わされ、信号ＳＳには信号ＳＦを基準とした移動鏡
１０の傾きθによる位相項２π d/λが含まれている。
ここで、二つの受光面の間隔をＰ_ｙとすると、この位相
項は二つ信号ＳＦ，ＳＳの位相差として２π d/λ＝２
π Ｐ_ｙ（sin ２θ）／λ≒４π Ｐ_ｙθ／λと表わ
されるが、移動鏡の傾きθがあると、受光面上のｙ方向
で異なる位相差を生じるため、前記考案が解決しようと
する問題点の項で述べたようにθが大きいと、cos（２
πｆｔ＋４π x/λ）の信号成分が著しく低下する。

移動鏡１０の傾きθを検出するには、受光面が２分割さ
れた第２の光電変換器１３の出力信号ＳＦとＳＳとから
位相差検出回路２０により４π Ｐ_ｙθ／λを求める方
法を用いる。

位相差検出回路２０は、フィルタを通した信号ＳＦ，Ｓ
Ｓをゼロクロスでパルス化し、その二信号の立上り時間
差及び立下り時間差を電圧値に変換する回路で構成する
ことができ、−πから＋πまでの位相差を検出できる。
また、別の位相差検出方法として移動台の移動速度が遅
く、４πx/λによる周波数が二つの偏光光束の差周波数
ｆより十分低い場合は、信号ＳＳまたは、ＳＦの一方を
図示しない移相器により９０°の位相シフトを加え、位
相差検出回路２０の代りに図示しない同期検波回路で４
π Ｐ_ｙ θ／λを求める方法がある。

第１図において、２１は、固定鏡１１の角度制御を行な
う角度制御部である。ここでは、検出された位相差４π
Ｐ_ｙθ／λの積分を行ない、アクチュエータ２３の駆
動信号として４π Ｐ_ｙθ／λ＝０となる信号を発生す
る。アクチュエータ２３は電歪素子を用いた回転補正装
置であって、高圧増幅器２２の出力により駆動され、前
記駆動信号に対応した傾き角を固定鏡１１に与えるもの
である。従って、上記検出された位相差を０とする積分
制御により移動鏡１０にθの傾きを生ずると、固定鏡１
１も追従してθの傾きを生じ、前記受光面上での位相差
は均一になる。この制御法では、前記の様に位相差検出
が４πＰ_ｙ θ／λと非直線的であっても角度制御部２
１の出力は、移動鏡１０の傾きθに比例し、また検出範
囲が狭くてもアクチュエータ２３の動作範囲までの広い
範囲に亘るθの値を得ることができる。この角度制御部
２１の出力をデータ処理部２４に取り込み、移動台の傾
き情報を、移動台の位置合せの補正演算に用いることが
できる。

以上の説明は、垂直方向を回転軸とした移動台の傾き
（ヨーイング）検出及び回動補償についてであったが、
第２の光電変換器１３の受光面を第４図に示す様に４分
割にすること、またアクチュエータ２３を２軸用とする
ことにより水平方向を回転軸とする傾き（ピッチング）
検出及び回動補償も付加することができる。

また、移動台の傾きを補償すべき対象は固定鏡に限られ
ることはなく、移動鏡にアクチュエータを取付けて補償
する場合もある。移動鏡の回動中心は定まっているの
で、移動台がどのように傾きながら移動しているかは一
義的に知ることができ、なんら不都合は生じない。

移動台の移動変位量ｘの出力処理には、前記信号ＦＦ及
び、ＳＦ信号を用いる。まず、フィルムにより直流成分
等不要の周波数成分を除去し、π/2移相器１５により信
号ＦＳを発生する。次に、信号ＳＦとＦＳとを入力信号
とした、また信号ＳＦとＦＦとを入力信号とした第１及
び第２の同期検波回路（１６，１７）により低周波成分
sin（４π x/λ）及びcos（４π x/λ）成分を得る。
この二つの信号により、移動台７の移動方向判別が可能
で、通常、位相π/4ごと、すなわち光路長λ/8ステップ
での正負カウント用パルスが生成され、このパルスを可
逆カウンタ１９により計数して、移動台の移動変位量ｘ
すなわち、移動距離を測定することができる。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案の移動台の移動距離測定装
置によれば、移動台の角度変動による移動距離測定の誤
差をなくすることができ、また移動台のヨーイング及び
ピッチングを簡単な手段で検出できる。したがって、性
能の劣る簡易な機構で作られた移動台であっても0.05〜
0.5μｍの高精度の距離測定が可能である。このこと
は、たとえば電子ビーム装置において、容積または磁性
などの諸条件に制約されて高性能の移動台が導入し得な
い場合にも、本考案装置であれば、移動台の移動距離測
定または位置合せ用測長装置として適用可能である。

また、本考案装置によれば、移動台の回動を補償するた
めに、高性能の光干渉計を複数台用うる必要がないの
で、構造的に小形・簡易、かつ廉価となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示すブロック図、第２図は
移動鏡の傾きによる光路差を説明するための説明図、第
３図はヨーイング検出用光電変換器の受光面の説明図、
第４図はヨーイングとピッチング検出用光電変換器の受
光面の説明図である。 １……直交二周波光源、４……無偏光ビームスプリッ
タ、６……第１の光電変換器、７……移動台、８……偏
光ビームスプリッタ、９……1/4波長板、１０……移動
鏡、１１……固定鏡、１３……第２の光電変換器、１５
……π／２移相器、１６……第１の同期検波回路、１７
……第２の同期検波回路、１８……位相弁別回路、１９
……可逆カウンタ、２０……位相差検出回路、２３……
アクチュエータ、２４……データ処理部、３０……偏光
干渉計、４０……信号処理手段

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数が異なり、かつ互に直交する二つの
   偏光で成る光束を発する直交二周波光源(1)と； 該直交二周波光源が発する光束を第１及び第２の光路へ
   進む二つの光束に分ける光学素子(4)と； 該第１の光路へ進む光束を受けて前記二つの偏光光束の
   差周波数の電気信号ＦＦを得る第１の光電変換器(6)
   と； 該第１の光電変換器の出力信号ＦＦとπ／２の位相差を
   もつ第２の信号ＦＳを出力する移相器(15)と； 該第２の光路を通る光束を受けて、移動台に設けられた
   反射鏡の位置及び角度の偏り情報を帯びた光束を出射す
   る偏光干渉計(30)と； 少くとも二つに分割された受光面をもち、該偏光干渉計
   の出射光束を少くとも二つの電気信号に変換する第２の
   光電変換器(13)と； 該第２の光電変換器の出力信号のうち所定の二信号の位
   相差を検出する位相差検出回路(20)と； 該検出された位相差により該偏光干渉計を構成する一方
   の反射鏡の位置及び角度を制御するアクチュエータ(23)
   と； 該第２の光電変換器の出力信号のうち所定の一つと、該
   移相器の出力信号の一つとを入力信号とする第１の同期
   検波回路(16)と； 該第１の光電変換器の出力信号と、該第２の光電変換器
   の出力信号のうち所定の一つとを入力信号とする第２の
   同期検波回路(17)と； 該第１及び第２の同期検波回路の出力信号を比較して移
   動台の移動方向を判別し、かつ移動距離を算出する信号
   処理手段(40)とを備えた移動台の移動距離測定装置。