DE102018118842A1

DE102018118842A1 - Relativpositions-detektionsmittel und verschiebungs-detektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018118842A1
Application number: DE102018118842.0A
Authority: DE
Inventors: Shun Okuyama; Akinori Suzuki
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2019-02-07
Also published as: US10746533B2; US20190041194A1

Abstract

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken zu können, indem ein Relativpositions-Detektionsmittel (110) vorgesehen wird, um eine Relativposition einer Verschiebung eines zu messenden Objekts (10) in einer Messrichtung optisch zu detektieren, umfassend: ein Ziel (112), das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und mit Licht von einer Lichtquelle (102) bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition (120), um Licht zu empfangen, indem ein Polarisationszustand eines reflektierten Lichts am Ziel bezüglich des Lichts geändert wird; und eine Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit (130), um eine Relativpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Ziels in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands des beim Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition empfangenen reflektierten Lichts auszugeben, wobei das Ziel umfasst: einen Reflektor (114), der auf dem zu messenden Objekt montiert ist; und ein doppelbrechendes Bauteil (116), das auf dem Reflektor vorgesehen ist und eine Dicke aufweist, die sich von einer Spitze (116a) zu einem Basisende (116a') entlang der Messrichtung ändert, wobei das doppelbrechende Bauteil so konfiguriert ist, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche (116b) bezüglich des Reflektors mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche als Zentrum drehbar ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Relativpositions-Detektionsmittel, das in einer Verschiebungs-Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Verschiebung eines beweglichen Teils einer Werkzeugmaschine, einer Halbleiter herstellenden Vorrichtung oder dergleichen vorgesehen ist, und auch auf eine Verschiebungs-Detektionsvorrichtung, die mit einem Relativpositions-Detektionsmittel versehen ist. Außerdem beansprucht die vorliegende Anmeldung eine Priorität basierend auf der am 2. August 2017 in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-149766 , der am 8. August 2017 in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung 2017-153710 , der am 25. September 2017 in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung 2017-184103 und der am 16. Februar 2018 in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-025747 .
Beschreibung des Standes der Technik
Bisher wurde weitgehend eine Licht nutzende Verschiebungs-Detektionsvorrichtung als eine kontaktlose Messvorrichtung für eine Verschiebung eines zu messenden Objekts genutzt. Die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung detektiert einen Verschiebungsbetrag des zu messenden Objekts, indem basierend auf einer Verschiebung des zu messenden Objekts, welches der bewegliche Teil ist, eine Phase eines Lichts von einer Lichtquelle geändert wird und indem ein sich ändernder Phasenzustand des Lichts detektiert wird. In letzter Zeit wird mit Schwerpunkt auf die Werkzeugmaschine und die Halbleiter herstellende Vorrichtung eine Verschiebungs-Detektionsvorrichtung mit einer hohen Auflösung gefordert, die imstande ist, eine Verschiebung von 1 nm oder weniger zu messen.
Als die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung mit einer solch hohen Auflösung gibt es beispielsweise Erfindungen, die in Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben sind. In Patentdokument 1 ist ein Laserinterferometer offenbart, das imstande ist eine Messung mit hoher Präzision zu erreichen, indem ein Messfehler basierend auf einer Abweichung zwischen optischen Achsen von zwei Arten von Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen verhindert wird. Auf der anderen Seite ist in Patentdokument 2 eine Verschiebungs-Detektionsvorrichtung offenbart, die imstande ist, einen Verschiebungsbetrag mit hoher Präzision stabil zu detektieren, indem eine eine Polarisation beibehaltende Faser in einer beliebigen Länge gemäß einer Oszillationscharakteristik einer Lichtquelle konfiguriert wird.

Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2009-300263
Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2016-142552

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In der in den Patentdokumenten 1 und 2 beschriebenen Verschiebungs-Detektionsvorrichtung ist jedoch eine Periode eines Inkrementalsignals, die eine Relativpositionsinformation eines zu messenden Ziels zeigt, das an dem sich in einer Messrichtung bewegenden zu messenden Objekt angeordnet ist, durch Form und Leistungsfähigkeit von Teilen bestimmt ist, die in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung vorgesehen sind. Mit anderen Worten wird in dem im Patentdokument 1 beschriebenen Laserinterferometer eine Signalperiode durch eine Wellenlänge einer verwendeten Lichtquelle bestimmt, und in der im Patentdokument 2 beschriebenen Verschiebungs-Detektionsvorrichtung wird eine Signalperiode durch einen Gitterabstand eines Beugungsgitters bestimmt, das an einer zu messenden Oberfläche angeordnet ist. Daher war es schwierig, ohne Wechseln von in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung vorgesehenen Teilen einer weiten Signalperiode zu entsprechen bzw. eine solche abzudecken. Um eine stabile und hochpräzise Detektion eines Verschiebungsbetrags zu erzielen, ist es erwünscht, eine weite Inkrementalsignalperiode abdecken zu können, wenn eine Relativpositionsinformation des Ziels detektiert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht, und der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Relativpositions-Detektionsmittel vorzusehen, das mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, und auch eine mit dem Relativpositions-Detektionsmittel versehene Verschiebungs-Detektionsvorrichtung vorzusehen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Relativpositions-Detektionsmittel zum optischen Detektieren einer Relativposition einer Verschiebung eines zu messenden Objekts in einer Messrichtung, umfassend: ein Ziel, das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und mit Licht von einer Lichtquelle bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition, um Licht zu empfangen, indem ein Polarisationszustand eines reflektierten Lichts am Ziel bezüglich des Lichts geändert wird; und eine Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit, um eine Relativpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Ziels in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands des beim Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition empfangenen reflektierten Lichts auszugeben, wobei das Ziel umfasst: einen plattenförmigen Reflektor, der auf dem zu messenden Objekt montiert ist; und ein doppelbrechendes Bauteil, das auf dem Reflektor vorgesehen ist und eine Dicke aufweist, die sich von einer Spitze zu einem Basisende entlang der Messrichtung ändert, wobei das doppelbrechende Bauteil so konfiguriert ist, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche bezüglich des Reflektors mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche als Zentrum drehbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Periode eines Inkrementalsignals, die eine Relativpositionsinformation des Ziels zeigt, durch eine Anordnung und Neigung des doppelbrechenden Bauteils bestimmt, so dass es möglich ist, mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abzudecken.
Zu dieser Zeit kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung detektieren, und die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit kann die Relativpositionsinformation des Ziels basierend auf einem durch fotoelektrische Umwandlung einer Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts erhaltenen Signal ausgeben.
Auf diese Weise ist es möglich, die Relativpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich wird.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition umfassen: einen Strahlteiler, um das reflektierte Licht in zwei aufzuspalten bzw. zu teilen; einen ersten polarisierenden Strahlteiler, um eine P-Komponente eines durch den Strahlteiler geteilten reflektierten Lichts durchzulassen und eine S-Komponente davon zu reflektieren; ein erstes lichtempfangendes Element, um durchgelassenes Licht des ersten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen; ein zweites lichtempfangendes Element, um reflektiertes Licht des ersten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen; einen zweiten polarisierenden Strahlteiler, um eine P-Komponente eines anderen, durch den Strahlteiler geteilten reflektierten Lichts durchzulassen und eine S-Komponente davon zu reflektieren; eine Viertel-Wellenlänge-Platte, die zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten polarisierenden Strahlteiler angeordnet ist; ein drittes lichtempfangendes Element, um reflektiertes Licht des zweiten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen; und ein viertes lichtempfangendes Element, um durchgelassenes Licht des zweiten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen.
Auf diese Weise ist es möglich, mit einer einfachen Struktur eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung sicher zu detektieren.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das doppelbrechende Bauteil konfiguriert werden, indem eine Vielzahl verschiedener Bauteile parallel entlang der Messrichtung angeordnet wird, oder kann konfiguriert werden, indem eine Vielzahl verschiedener Bauteile entlang einer Einfallsrichtung des Lichts geschichtet wird.
Auf diese Weise ist es möglich, mit einer einfachen Struktur eine Periode oder Empfindlichkeit einer Signalabgabe, die eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung zeigt, leicht zu ändern.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das doppelbrechende Bauteil konfiguriert werden, indem eine Vielzahl von Bauteilen mit verschiedenen Kristallachsenrichtungen entlang einer Einfallsrichtung des Lichts geschichtet wird.
Auf diese Weise ist es möglich, einen Einfluss durch thermische Fluktuation oder Wellenlängenvariation einer Lichtquelle zu hemmen bzw. zu verhindern, wenn eine Kristallachsenrichtung jedes Bauteils, das das doppelbrechende Bauteil bildet, zueinander orthogonal ist, oder dergleichen.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Korrekturprisma an einer beliebigen einer Eingangsstufenseite oder Rück- bzw. Ausgangsstufenseite des doppelbrechenden Bauteils bezüglich der Lichtquelle vorgesehen werden.
Auf diese Weise ist eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung durch ein Absolutpositions-Detektionsmittel einer Ausgangsstufenseite möglich, da ein Polarisationszustand in einer Strahlverteilung, die durch das doppelbrechende Bauteil durchgelassen wird, einheitlich sein wird.
Außerdem können in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition entlang der Messrichtung angeordnet sein, und es kann vorgesehen werden, basierend auf einer Differenz eines Phasenfluktuationsbetrags eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts, das durch jeden Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition detektiert wird, einen Betrag einer Wellenlängenvariation zu schätzen und zu korrigieren.
Auf diese Weise ist es möglich, einen Betrag einer Wellenlängenvariation basierend auf einer Differenz eines Phasenfluktuationsbetrags eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts, das durch jeden Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition detektiert wird, leicht abzuschätzen, so dass eine Detektion einer Verschiebung mit höherer Präzision möglich wird, indem ein Betrag einer Wellenlängenvariation basierend auf solch einer Schätzung korrigiert wird.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner eine polarisierende Platte zwischen der Lichtquelle und dem doppelbrechenden Bauteil angeordnet sein.
Auf diese Weise kann ein zum Detektieren einer Verschiebung genutzter Strahl ein höheres Extinktionsverhältnis aufweisen, so dass eine Detektion einer Verschiebung mit höherer Präzision möglich wird.
Zusätzlich kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner eine Azimutkorrektur-Einheit zum Durchführen einer Azimutkorrektur an dem reflektierten Licht bei dem Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition angeordnet sein.
Auf diese Weise wird eine Differenz durch eine Winkeldifferenz des durch die polarisierende Platte durchgelassenen reflektierten Lichts modifiziert, so dass eine Detektion einer Verschiebung mit höherer Präzision möglich wird.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Verschiebungs-Detektionsvorrichtung zum optischen Detektieren einer Verschiebung in einer Messrichtung eines zu messenden Objekts umfassend: eine Lichtquelle, um Licht einzustrahlen; einen lichtquellenseitigen Strahlteiler, um das Licht von der Lichtquelle in zwei zu teilen; ein Relativpositions-Detektionsmittel, um eine Relativposition der Verschiebung des zu messenden Objekts in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts bezüglich eines durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler geteilten Lichts zu detektieren; ein Absolutpositions-Detektionsmittel, um eine Absolutposition der Verschiebung des zu messenden Objekts in der Messrichtung basierend auf einer Änderung einer Lichtmenge eines reflektierten Lichts bezüglich eines anderen, durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler geteilten Lichts zu detektieren, wobei das Absolutpositions-Detektionsmittel und das Relativpositions-Detektionsmittel bezüglich der Messrichtung des zu messenden Objekts linear bzw. auf einer Linie angeordnet sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Absolutpositionsinformation und eine Relativpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Verschiebungsdetektion möglich ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst hier das Relativpositions-Detektionsmittel: ein Ziel, das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und mit Licht von einer Lichtquelle bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition, um Licht zu empfangen, indem ein Polarisationszustand eines reflektierten Lichts am Ziel bezüglich des Lichts geändert wird; und eine Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit, um eine Relativpositionsinformation basierend auf der Verschiebung des Ziels in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts auszugeben, das beim Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition empfangen wurde, wobei das Ziel umfasst: einen Reflektor, der auf dem zu messenden Objekt montiert ist; und ein doppelbrechendes Bauteil, das auf dem Reflektor vorgesehen ist und eine Dicke aufweist, die sich von einer Spitze zu einem Basisende entlang der Messrichtung ändert, wobei das doppelbrechende Bauteil so konfiguriert sein kann, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche bezüglich des Reflektors mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche als Zentrum drehbar ist.
Auf diese Weise wird eine Periode eines Inkrementalsignals, die eine Relativpositionsinformation des Ziels zeigt, durch eine Anordnung und Neigung des doppelbrechenden Bauteils bestimmt, so dass es möglich ist, mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abzudecken.
Außerdem kann in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung detektieren, und die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit kann die Relativpositionsinformation des Ziels basierend auf einem durch fotoelektrische Umwandlung einer Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts erhaltenen Signal ausgeben.
Auf diese Weise ist es möglich, die Relativpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem das Absolutpositions-Detektionsmittel: ein Prisma, das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und mit dem Licht von der Lichtquelle über einen Spiegel bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition, um Licht zu empfangen, indem eine Lichtmenge eines reflektierten Lichts am Prisma bezüglich des Lichts geändert wird; eine Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit, um eine Absolutpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Prismas in der Messrichtung basierend auf einer Änderung der Lichtmenge des reflektierten Lichts auszugeben, das beim Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition empfangen wird, wobei an einer Seite einer oberen Oberfläche des Prismas ein Film mit variabler Reflexion, in welchem eine Reflexionscharakteristik entlang der Messrichtung variiert, vorgesehen sein kann.
Auf diese Weise ist es möglich, die Absolutpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich ist.
Wie oben erläutert wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Periode eines Inkrementalsignals, die eine Relativpositionsinformation des Ziels zeigt, durch eine Änderung und Neigung des doppelbrechenden Bauteils bestimmt, so dass es möglch ist, mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abzudecken. Außerdem ist es möglich, die Relativpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich ist.
Figurenliste

1 ist eine Vorderansicht, die eine Skizze einer Struktur einer Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Draufsicht, die eine Skizze einer Struktur der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine Seitenansicht, die eine Skizze einer Struktur eines Relativpositions-Detektionsmittels veranschaulicht, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur einer Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit veranschaulicht, die in dem Relativpositions-Detektionsmittel bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
5A ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Messprinzip mittels eines doppelbrechenden Bauteils des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 5B ist eine erläuternde Zeichnung betreffend eine Kristallachse des doppelbrechenden Bauteils.
6A ist eine Seitenansicht, die eine Skizze einer Struktur eines Absolutpositions-Detektionsmittels veranschaulicht, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, 6B ist eine Draufsicht, die eine Struktur eines Films mit variabler Reflexion veranschaulicht, der in dem Absolutpositions-Detektionsmittel vorgesehen ist, und 6C ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur einer Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit veranschaulicht, die in dem Absolutpositions-Detektionsmittel vorgesehen ist.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Skizze einer Signalabgabe durch die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Winkel eines Lissajous-Signals eines Inkrementalsignal-Generators veranschaulicht, der in dem Relativpositions-Detektionsmittel bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
9 ist eine graphische Darstellung, die eine Signalausgabe jeder Komponente der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10A ist eine erläuternde Zeichnung, die Beispiele modifizierter Beispiele des doppelbrechenden Bauteils des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 10B ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung einer Positionsinformation und eines Bewegungsbetrags des doppelbrechenden Bauteils veranschaulicht.
11A und 11B sind erläuternde Zeichnungen, die Beispiele anderer modifizierter Beispiele des doppelbrechenden Bauteils des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
12A bis 12C sind erläuternde Zeichnungen, die Beispiele anderer modifizierter Beispiele des doppelbrechenden Bauteils des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
13 ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel eines anderen modifizierten Beispiels des doppelbrechenden Bauteils des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
14 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Skizze einer Struktur eines modifizierten Beispiels der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 ist eine erläuternde Zeichnung, die eine Skizze einer Bewegung und einer Struktur einer anderen Art eines modifizierten Beispiels der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
16 ist eine Seitenansicht, die eine Skizze einer Struktur eines anderen modifizierten Beispiels eines Prismas mit einem Reflexionsfilm veranschaulicht, das in einem modifizierten Beispiel der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
17 ist eine Vorderansicht, die eine Skizze einer Struktur eines anderen modifizierten Beispiels der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
18 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Skizze einer Struktur eines modifizierten Beispiels der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
19A und 19B sind erläuternde Zeichnungen, die Beispiele einer anderen Anordnung eines Korrekturprismas veranschaulichen, das bei einem anderen modifizierten Beispiel des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Skizze einer Struktur eines anderen modifizierten Beispiels der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Skizze einer Struktur eines anderen modifizierten Beispiels der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Außerdem sollen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden erläutert werden, nicht ungerechtfertigt den Inhalt der vorliegenden Erfindung begrenzen, die in den Ansprüchen beschrieben ist, und nicht all die Merkmale, die in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden, sind als Mittel zum Lösen des Problems der vorliegenden Erfindung notwendig. Auch können Gestaltungen verschiedener Linsen, die in der folgenden Erklärung beschrieben werden, jede beliebige Art einer Gestaltung sein, solange sie eine vorgeschriebene Abbildungsleistung aufweist, und sie kann eine einzige Linse oder eine Gruppe von Linsen mit sphärischer Oberfläche oder asphärischer Oberfläche sein, oder sie kann ein Beugungsgitter mit einer Abbildungsfunktion sein.
Zunächst wird unter Verwendung der Zeichnungen die Konfiguration einer Verschiebungen detektierenden Vorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. 1 ist eine Vorderansicht, die eine Skizze einer Struktur einer Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 2 ist eine Draufsicht, die eine Skizze einer Struktur der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Eine Verschiebungen detektierende Vorrichtung 100 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, um eine Relativposition und eine Absolutposition einer Verschiebung eines zu messenden Objekts 10 in einer Messrichtung (X-Richtung) optisch zu detektieren. Die hier beschriebene Absolutposition gibt eine Positionsinformation an, in welcher eine Änderung einer empfangenen Lichtmenge durch eine Verschiebung des zu messenden Objekts 10 von einem Referenzpunkt zur Messrichtung (X-Richtung) in einen Absolutwert wie etwa eine Spannung umgewandelt wird, und eine Relativposition gibt eine Positionsinformation an, in der ein periodisches Signal wie etwa eine Spannung in der Phase umgewandelt wird, indem eine Änderung eines polarisierten Lichts empfangen wird.
Wie in 1 und 2 veranschaulicht ist, umfasst die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform: eine Lichtquelle 102; einen lichtquellenseitigen Strahlteiler 108; ein Relativpositions-Detektionsmittel 110; und ein Absolutpositions-Detektionsmittel 140. In der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform sind das Absolutpositions-Detektionsmittel 140 und das Relativpositions-Detektionsmittel 110 bezüglich der Messrichtung (X-Richtung) des zu messenden Objekts 10 auch linear angeordnet.
Die Lichtquelle 102 kann kohärentes Licht mit einer begrenzten Kohärenzlänge bzw. -distanz emittieren. In dieser Ausführungsform wird als die Lichtquelle 102 eine kohärente Lichtquelle wie etwa ein Multimoden-Halbleiterlaser, eine Superlumineszenz-Diode oder dergleichen mit einer verhältnismäßig kurzen Kohärenzdistanz verwendet. Die Lichtquelle 102 ist jedoch nicht auf diese spezifischen Lichtquellenarten begrenzt.
Außerdem wird in dieser Ausführungsform polarisiertes Licht als von der Lichtquelle 102 emittiertes Licht verwendet, so dass an einer Ausgangsstufenseite der Lichtquelle 102 eine aus einer Sammellinse bzw. einem Kollimator bestehende erste Linse 104 und ein Polarisator 106 angeordnet sind. Somit wird ein von der Lichtquelle 102 emittiertes Licht über die erste Linse 104 kollimiertes Licht und unter Ausnutzung des Polarisators 106 in ein bestimmtes, linear polarisiertes Licht umgewandelt.
Außerdem kann als Position der Lichtquelle 102 sie an einer in 1 veranschaulichten Position der Lichtquelle 102 platziert sein, oder die Lichtquelle 102 kann an einem separaten Platz angeordnet sein, um einen Einfluss einer Wärmeerzeugung der Lichtquelle 102 zu vermeiden, und Licht kann unter Verwendung eines Lichtwellenleiters bzw. einer optischen Faser fortgepflanzt werden, und ein emittierendes Ende der optischen Faser kann an einer Stelle der in 1 veranschaulichten Lichtquelle 102 platziert sein. Zu diesem Zeitpunkt wird ebenfalls ein divergenter Lichtstrahl, der von der optischen Faser emittiert wird, durch eine Sammellinse in einen kollimierten Strahl umgewandelt. Außerdem wird, wenn ein Strahl von der Lichtquelle ein linear polarisiertes Licht ist, eine optische Faser, die eine Polarisationsebene halten kann, wie etwa eine polarisationserhaltende Faser, als die optische Faser verwendet.
Der lichtquellenseitige Strahlteiler 108 ist ein nicht polarisierender Strahlteiler ohne Polarisationsabhängigkeit, um kohärentes Licht von der Lichtquelle 102 in zwei zu teilen. In dieser Ausführungsform teilt, wie in 1 und 2 veranschaulicht ist, der lichtquellenseitige Strahlteiler 108 Licht b1 von der Lichtquelle 102 in eine Richtung zum Absolutpositions-Detektionsmittel 104 und eine Richtung, in der es direkt in ein Ziel 112 eintritt, das in dem Relativpositions-Detektionsmittel 110 vorgesehen ist.
Das Relativpositions-Detektionsmittel 110 hat eine Funktion, eine Relativposition einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10 in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts b2 bezüglich eines Lichts b1 zu detektieren, das durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler 108 geteilt wurde. In dieser Ausführungsform umfasst das Relativpositions-Detektionsmittel 110: ein Ziel 112; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120; und eine Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 (siehe 4).
Das Ziel 112 ist auf dem zu messenden Objekt 10 montiert, und das Licht b1 von der Lichtquelle 102 wird eingestrahlt. Das Ziel 112 umfasst einen plattenförmigen Reflektor 114, der auf dem zu messenden Objekt 10 montiert ist, und ein doppelbrechendes Bauteil 116, das auf dem Reflektor 114 vorgesehen ist, worin eine Dicke des doppelbrechenden Bauteils 116 so verändert ist, dass sie von einer Spitze 116a zu einem Basisende 116a' entlang der Messrichtung zunimmt. Das doppelbrechende Bauteil 116 ist auch so konfiguriert, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche 116b bezüglich des Reflektors 114 mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche 116b als Zentrum drehbar ist. Mit anderen Worten kann in dem doppelbrechenden Bauteil 116 ein Winkel θ₂ zwischen der unteren Oberfläche 116b des doppelbrechenden Bauteils 116, worin die Spitze 116a einen Winkel θ₁ aufweist, und dem Reflektor 114 verstellbar konfiguriert sein.
Der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120 empfängt Licht, indem ein Polarisationszustand des reflektierten Lichts b2 am Ziel 112 bezüglich eines kohärenten Lichts b1 geändert wird. In dieser Ausführungsform umfasst der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120: einen Strahlteiler 121; einen ersten polarisierenden Strahlteiler 122; ein erstes lichtempfangendes Element 123; ein zweites lichtempfangendes Element 124; eine Viertel-Wellenlänge-Platte 125 (siehe 3); einen zweiten polarisierenden Strahlteiler 126; ein drittes lichtempfangendes Element 127; und ein viertes lichtempfangendes Element 128. Ein Signal, das eine Änderung eines Polarisationszustands des durch den Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120 empfangenen reflektierten Lichts b2 zeigt, wird zu einer Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 (siehe 4) übertragen, und die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 gibt eine Relativpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Ziels 112 in der Messrichtung basierend auf dem Signal aus. Außerdem werden später Details des Ziels 112, des Lichtempfängers zur Detektion einer Relativposition 120 und der Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130, die in dem Relativpositions-Detektionsmittel 110 vorgesehen sind, beschrieben.
Ein Absolutpositions-Detektionsmittel 140 hat eine Funktion, eine Absolutposition einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10 in der Messrichtung basierend auf einer Änderung einer Lichtmenge eines reflektierten Lichts b5, b6 bezüglich eines anderen Lichts b3, b4 zu detektieren, das durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler 108 geteilt wurde. In dieser Ausführungsform umfasst das Absolutpositions-Detektionsmittel 140: ein Prisma 144, das an einer Seite der oberen Oberfläche mit einem Film mit variabler Reflexion 146 versehen ist; einen Spiegel 142, um ein anderes, durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler 108 geteiltes Licht b3 in das Prisma 144 einzuführen; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150; und eine Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160 (siehe 6C).
Der Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150 empfängt Licht, indem eine Lichtmenge des reflektierten Lichts b5, b6 des zu messenden Objekts 10 und des Prismas 144 bezüglich des reflektierten Lichts b4 am Spiegel 142 geändert wird. In dieser Ausführungsform umfasst der Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150 ein fünftes lichtempfangendes Element 152 und ein sechstes lichtempfangendes Element 154. Ein Signal, das eine Änderung einer Lichtmenge des reflektierten Lichts b5 b6 zeigt, das von dem Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150 empfangen wird, wird zu der Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160 übertragen (siehe 6C), und die Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160 gibt eine Absolutpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Prismas 144 in der Messrichtung basierend auf dem Signal aus. Außerdem werden Details des Prismas 144, des Lichtempfängers zur Detektion einer Absolutposition 150 und der Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160, die in dem Absolutpositions-Detektionsmittel 140 vorgesehen sind, später beschrieben.
Als Nächstes wird eine Struktur des Relativpositions-Detektionsmittels, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, unter Verwendung von Zeichnungen erläutert.
3 ist eine Seitenansicht, die eine Skizze einer Struktur eines Relativpositions-Detektionsmittels veranschaulicht, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, und 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur einer Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit veranschaulicht, die in dem Relativpositions-Detektionsmittel bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
Wie oben erwähnt wurde, hat das Relativpositions-Detektionsmittel 110 eine Funktion, eine Relativposition einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10 in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts b2 bezüglich eines, durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler 108 geteilten Lichts b1 zu detektieren. In dieser Ausführungsform umfasst das Relativpositions-Detektionsmittel 110: das Ziel 112; den Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120; und die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130.
In dieser Ausführungsform detektiert in dem Relativpositions-Detektionsmittel 110 der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120 eine Änderung eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels 112 in der Messrichtung, und die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 gibt eine Relativpositionsinformation des Ziels 112 basierend auf einem durch fotoelektrische Umwandlung einer Änderung des Polarisationszustands des reflektierten Lichts erhaltenen Signal aus.
Das Ziel 112 ist auf dem zu messenden Objekt 10 montiert und dient als Ziel einer Detektion einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10. Am Ziel 112 wird kohärentes Licht b1 von der Lichtquelle 102 über den lichtquellenseitigen Strahlteiler 108 eingestrahlt, nachdem es durch die erste Linse 104 und den Polarisator 106 in ein bestimmtes linear polarisiertes Licht umgewandelt wurde.
In dieser Ausführungsform umfasst das Ziel 112 einen plattenförmigen Reflektor 114, der auf dem zu messenden Objekt 10 montiert ist, und ein als ein annähernd dreieckiges Prisma geformtes doppelbrechendes Bauteil 116, das auf dem Reflektor 114 vorgesehen ist, worin eine Dicke des doppelbrechenden Bauteils 116 von einer Spitze 116a zu einem Basisende 116a' entlang der Messrichtung zunimmt. Das doppelbrechende Bauteil 116 ist auch so konfiguriert, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche 116b bezüglich des Reflektors 114 mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche 116b als Zentrum drehbar ist. Mit anderen Worten kann in dem doppelbrechenden Bauteil 116 ein Winkel θ₂ zwischen der unteren Oberfläche 116b des doppelbrechenden Bauteils 116, worin die Spitze 116a einen Winkel θ₁ aufweist, und dem Reflektor 114 verstellbar konfiguriert sein.
Der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120 hat eine Funktion, Licht zu empfangen, indem ein Polarisationszustand des reflektierten Lichts b2 am Ziel 112 bezüglich des Lichts b1 geändert wird. In dieser Ausführungsform umfasst der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120: einen Strahlteiler 121; einen ersten polarisierenden Strahlteiler 122; ein erstes lichtempfangendes Element 123; ein zweites lichtempfangendes Element 124, eine Viertel-Wellenlänge-Platte 125; einen zweiten polarisierenden Strahlteiler 126; ein drittes lichtempfangendes Element 127; und ein viertes lichtempfangendes Element 128.
Der Strahlteiler 121 ist ein nicht polarisierender Strahlteiler ohne Polarisationsabhängigkeit, um das reflektierte Licht b2, das vom Reflektor 114 reflektiert wurde, in zwei zu teilen. Der erste polarisierende Strahlteiler 122 ist ein polarisierender Strahlteiler, um eine P-Komponente eines durch den Strahlteiler 121 geteilten reflektierten Lichts b7 durchzulassen und S-Komponente davon zu reflektieren. Das erste lichtempfangende Element 123 ist ein aus einer Fotodiode oder dergleichen bestehendes lichtempfangendes Element für eine fotoelektrische Umwandlung, indem durchgelassenes Licht b9 des ersten polarisierenden Strahlteilers 122 empfangen wird. Das zweite lichtempfangende Element 124 ist ein aus einer Fotodiode oder dergleichen bestehendes lichtempfangendes Element für eine fotoelektrische Umwandlung, indem reflektiertes Licht b10 des ersten polarisierenden Strahlteilers 122 empfangen wird. Der zweite polarisierende Strahlteiler 126 ist ein polarisierender Strahlteiler, um eine P-Komponente eines anderen, durch den Strahlteiler 121 geteilten reflektierten Lichts b8 durchzulassen und eine S-Komponente davon zu reflektieren. Die Viertel-Wellenlänge-Platte 125 ist zwischen dem Strahlteiler 121 und dem zweiten polarisierenden Strahlteiler 126 angeordnet und hat eine Funktion, eine Phase des reflektierten Lichts b8 um eine Viertel-Wellenlänge abweichen zu lassen. Das dritte lichtempfangende Element 127 ist ein aus einer Fotodiode oder dergleichen bestehendes lichtempfangendes Element für eine fotoelektrische Umwandlung, indem reflektiertes Licht b11 des zweiten polarisierenden Strahlteilers 126 empfangen wird. Das vierte lichtempfangende Element 128 ist ein aus einer Fotodiode oder dergleichen bestehendes lichtempfangendes Element für eine fotoelektrische Umwandlung, indem durchgelassenes Licht b12 des zweiten polarisierenden Strahlteilers 126 empfangen wird.
Ein Signal, das eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts b2 zeigt, das durch den Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120 empfangen wurde, wird zu der Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 übertragen, und die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 gibt eine Relativpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Ziels 112 in der Messrichtung basierend auf dem Signal aus. Wie in 4 veranschaulicht ist, umfasst die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130: einen ersten Differenzverstärker 131; einen zweiten Differenzverstärker 132; einen ersten A/D-Wandler 133; einen zweiten A/D-Wandler 134; eine Wellenkorrektur-Verarbeitungseinheit 135; und einen Inkrementalsignal-Generator 136.
Ein Eingangsende des ersten Differenzverstärkers 131 ist mit dem ersten lichtempfangenden Element 123 und dem zweiten lichtempfangenden Element 124 des Lichtempfängers zur Detektion einer Relativposition 120 verbunden, und ein Ausgangsende des ersten Differenzverstärkers 131 ist mit dem ersten A/D-Wandler 133 verbunden. Außerdem ist ein Eingangsende des zweiten Differenzverstärkers 132 mit dem dritten lichtempfangenden Element 127 und dem vierten lichtempfangenden Element 128 des Lichtempfängers zur Detektion einer Relativposition 120 verbunden, und ein Ausgangsende des zweiten Differenzverstärkers 132 ist mit dem zweiten A/D-Wandler 134 verbunden. Der erste A/D-Wandler 133 und der zweite A/D-Wandler 134 sind auch mit einer Wellenformkorrektur-Verarbeitungseinheit 135 verbunden. Die Wellenformkorrektur-Verarbeitungseinheit 135 ist mit dem Inkrementalsignal-Generator 136 verbunden.
Die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 hat eine Funktion, eine Verschiebungsinformation des Ziels 112 basierend auf einer Intensität eines durch den Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 120 empfangenen Lichts auszugeben. Konkret werden in der Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 zuerst Signale von dem ersten lichtempfangenden Element 123 und dem zweiten lichtempfangenden Element 124, die aus Fotodioden bestehen, durch den ersten Differenzverstärker 131 mit einem vorgeschriebenen Verstärkungsfaktor α verstärkt, und Signale von dem dritten lichtempfangenden Element 127 und vierten lichtempfangenden Element 128 werden durch den zweiten Differenzverstärker 132 mit einem vorgeschriebenen Verstärkungsfaktor β verstärkt. Die Verstärkungsfaktoren α und β sind so festgelegt, dass sie in einem Eingabebereich der folgenden A/D-Wandler 133 und 134 liegen und Amplituden von zwei Signalen nach einer Verstärkung angleichen.
Zwei, über eine Verstärkung durch die Differenzverstärker 131 und 132 erhaltene Signale werden durch die A/D-Wandler 133 und 134 von analogen sin- und cos-Signalen in digitale Signale digitalisiert, und eine arithmetische Verarbeitung wird von der Wellenformkorrektur-Verarbeitungseinheit 135 durchgeführt. In der Wellenformkorrektur-Verarbeitungseinheit 135 und dem Inkrementalsignal-Generator 136 wird durch eine programmierbare Logikvorrichtung oder dergleichen, die mit einem DSP eingebaut ist, eine Berechnung durchgeführt, und eine Korrektur einer Phasenfluktuation, einer Offset-Fluktuation und einer Amplitudenfluktuation des sin-θ-Signals und cos-θ-Signals, die durch eine Turbulenz eines analogen Signals hervorgerufen werden, wird durchgeführt. Durch Berechnen von θ = A tan θ aus einem korrigierten Signal wird eine Positionsinformation mit einer genaueren Skala bzw. Maßeinteilung erzeugt, und es ist möglich, ein Inkrementalsignal mit einer notwendigen Form zu erzeugen.
In dieser Ausführungsform wird ein polarisierter Strahl auf das Ziel 112 mit dem doppelbrechenden Bauteil 116 gestrahlt, dessen Dicke entlang der Messrichtung verändert ist, und durch die Bewegung des Ziels 112 in der Messrichtung ist es möglich, einen Polarisationszustand eines vom Ziel 112 reflektierten Strahls zu ändern. Auch detektiert die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 eine Änderung des Polarisationszustands durch vier lichtempfangende Elemente 123, 124, 127 und 128, und eine Phase eines Inkrementalsignals wird basierend auf Signalen von den vier lichtempfangenden Elementen 123, 124, 127 und 128 berechnet, die durch fotoelektrische Umwandlung umgewandelt wurden, und eine Relativpositionsinformation des sich in der Messrichtung bewegenden Ziels wird durch den Inkrementalsignal-Generator 136 ausgegeben.
Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, indem ein Winkel θ₁ einer Spitze 116a des doppelbrechenden Bauteils 116 und ein Winkel θ₂ zwischen einer unteren Oberfläche 116b des doppelbrechenden Bauteils 116 und dem Reflektor 114 eingestellt werden, eine Signalperiode eines Inkrementalsignals auf eine vorgeschriebene Größe frei festzulegen. Daher ist es möglich, die Relativpositionsinformation des Ziels 112 sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10 möglich wird.
Als Nächstes wird unter Verwendung der Zeichnungen eine Operation eines Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. 5A ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Messprinzip mittels eines doppelbrechenden Bauteils des Relativpositions-Detektionsmittels bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 5B ist eine erläuternde Zeichnung bezüglich einer Kristallachse des doppelbrechenden Bauteils.
In dem Relativpositions-Detektionsmittel 110 wird ein Bewegungsbetrag L des Ziels 112 detektiert, indem ein Polarisationszustand eines Lichtstrahls beobachtet wird. Konkret wird, wie in 5A veranschaulicht ist, Licht zum doppelbrechenden Bauteil 116 mit einer unterschiedlichen Dicke entsprechend einer Stelle, an der es durchgelassen wird, durchgelassen, und eine Phasendifferenz wird einem P-polarisierten Licht und einem S-polarisierten Licht verliehen. Die Phasendifferenz wird durch einen nicht veranschaulichten Polarisator in eine Änderung einer Lichtmenge umgewandelt, und ein Bewegungsbetrag L wird detektiert.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Lichtwegdifferenz eines P-polarisierten Lichts und S-polarisierten Lichts durch d repräsentiert, wird eine Brechungsindexdifferenz eines P-polarisierten Lichts L und eines S-polarisierten Lichts S durch Δn repräsentiert, wird eine Wellenlänge einer Lichtquelle durch λ repräsentiert, und eine Phasendifferenz Δφ wird durch folgende Formel (1) repräsentiert: $Δφ = 2 π \times d \times Δ n/ λ$
Wie in 5A veranschaulicht ist, können der Winkel θ₁ der Spitze 116a des doppelbrechenden Bauteils 116, der Winkel θ₂ zwischen der unteren Oberfläche 116b des doppelbrechenden Bauteils 116 und dem Reflektor 114 und eine Lichtwegdifferenz d eines P-polarisierten Lichts und eines S-polarisierten Lichts, wenn es nur um einen Bewegungsbetrag L bewegt wird, durch folgende Formel (2) repräsentiert werden. $d = L (tan θ_{1} - tan (θ_{1} - θ_{2}))$
Es gilt Δφ = 2π, wenn es um einen Bewegungsbetrag L bewegt wird, so dass durch Umstellen der obigen Formel (1) ein Beziehungsausdruck der folgenden Formel (3) bestimmt wird. $d = λ / Δ n$
Aus den obigen Formeln (1), (2) und (3) wird der Beziehungsausdruck der folgenden Formel (4) bestimmt. $L = λ / (Δ n \times (tan θ_{1} - tan (θ_{1} - θ_{2})))$
Gemäß der obigen Formel (4) versteht man, dass ein Bewegungsbetrag L des Ziels 112 durch den Winkel θ₁ der Spitze 116a des doppelbrechenden Bauteils 116 und den Winkel θ₂ zwischen der unteren Oberfläche 116b des doppelbrechenden Bauteils 116 und dem Reflektor 114 in eine beliebige Größe geändert werden kann. Da ein Totweg 0 ist, wird auch nur eine Phasendifferenz durch eine Bewegung des Ziels 112 detektierbar sein.
Wenn beispielsweise ein Material des doppelbrechenden Bauteils 116 ein Kristall ist, eine Wellenlänge λ der Lichtquelle 790 nm beträgt und ein Bewegungsbetrag L 100 µm beträgt und falls θ₁ 20 Grad beträgt, wird θ₂ 35,895• • • ≒ 35,9 Grad. Mit anderen Worten können die Winkel θ₁, θ₂ des doppelbrechenden Bauteils 116 gemäß einem Bewegungsbetrag L des Ziels 112 eingestellt werden, so dass ein Pitch bzw. ein Teilungsmaß eines Bewegungsbetrags L des Ziels 112 frei in eine gewünschte Größe geändert werden kann. Daher kann eine Periode eines Inkrementalsignals, die eine Relativpositionsinformation des Ziels 112 zeigt, frei bestimmt werden.
Außerdem ist das doppelbrechende Bauteil 116 ein Material mit einem unterschiedlichen Brechungsindex gemäß einer Kristallachse (optische Achse). Daher wird, wie in 5B veranschaulicht ist, wenn sich eine Polarisationsrichtung eines einfallenden Lichts bezüglich einer Kristallachse A1 neigt, ein Brechungsindex um diesen Neigungswinkel θ₃ geändert. Konkret werden bezüglich des Brechungsindex n_p eines P-polarisierten Lichts, des Brechungsindex n_s eines S-polarisierten Lichts, des Brechungsindex n_x des doppelbrechenden Bauteils in X-Richtung und des Brechungsindex n_y des doppelbrechenden Bauteils in Y-Richtung jeweils Beziehungsausdrücke der folgenden Formeln (5) und (6) bestimmt. $n_{s} = n_{y}$
$n_{p} = \frac{n_{x} n_{y}}{\sqrt{n_{x}^{2} {COS}^{2} θ_{3} + n_{y}^{2} {sin}^{2} θ}}$
Falls θ₃ = 0 Grad beträgt, wird P-polarisiertes Licht eines einfallenden Lichts mit einer X-Achse eines Kristalls ausgerichtet sein, so dass n_p = n_x gilt, und S-polarisiertes Lichts zeigt ebenso n_s = n_y. Mit anderen Worten kann eine Brechungsindexdifferenz Δn durch ein einfallendes Licht in eine Kristallachse A1 geändert werden, so dass ein Beziehungsausdruck der folgenden Formel (7) bestimmt wird.
$Δ n = n_{s} - n_{p} = n_{y} - \frac{n_{x} n_{y}}{\sqrt{n_{x}^{2} {COS}^{2} θ_{3} + n_{y}^{2} {sin}^{2} θ}}$
Wenn man die in der obigen Formel (7) veranschaulichte Brechungsindexdifferenz Δn in die Formel (4) überträgt, die eine Beziehung der Winkel θ₁, θ₂ und des Bewegungsbetrags L des Ziels 112 veranschaulicht, wird ein Beziehungsausdruck der folgenden Formel (8) bestimmt:
$L = \frac{λ}{{(n_{y} - \frac{n_{x} n_{y}}{\sqrt{n_{x}^{2} {COS}^{2} θ_{3} + n_{y}^{2} {sin}^{2} θ_{3}}}) \times (tan θ_{1} - tan (θ_{1} - θ_{2}))}}$
Wie in der obigen Formel (8) veranschaulicht ist, ist es möglich, einen Bewegungsbetrag L des Ziels 112 durch den Winkel θ₁ der Spitze 116a des doppelbrechenden Bauteil 116, den Winkel θ₂ zwischen der unteren Oberfläche 116 des doppelbrechenden Bauteils 116 und dem Reflektor 114 und den Neigungswinkel θ₃ des einfallenden Lichts bezüglich einer Kristallachse A1 zu ändern. Mit anderen Worten ist es möglich, die Winkel θ₁, θ₂ des doppelbrechenden Bauteils 116 und den Neigungswinkel θ₃ des einfallenden Lichts bezüglich der Kristallachse A1 gemäß einem Bewegungsbetrag L des Ziels 112 einzustellen, so dass es möglich ist, ein Teilungsmaß des Bewegungsbetrags L des Ziels 112 frei in eine gewünschte Größe zu ändern.
Als Nächstes wird eine Struktur eines Absolutpositions-Detektionsmittels, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, unter Verwendung der Zeichnungen erläutert. 6A ist eine Seitenansicht, die eine Skizze einer Struktur eines Absolutpositions-Detektionsmittels veranschaulicht, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. 6B ist eine Draufsicht, die eine Struktur eines Films mit variabler Reflexion veranschaulicht, der in dem Absolutpositions-Detektionsmittel vorgesehen ist, und 6C ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur einer Absolutpositionsinformations-Ausgabeinheit veranschaulicht, die in dem Absolutpositions-Detektionsmittel vorgesehen ist.
Ein Absolutpositions-Detektionsmittel 140 hat eine Funktion, eine Absolutposition einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10 in der Messrichtung (X-Richtung, die in 6A und 6B veranschaulicht ist) basierend auf einer Änderung einer Lichtmenge eines reflektierten Lichts bezüglich eines durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler 108 (siehe 1) geteilten Lichts zu detektieren. In dieser Ausführungsform ist das Absolutpositions-Detektionsmittel 140 auf dem zu messenden Objekt 10 montiert und umfasst: ein Prisma 144, auf das Licht b4 von der Lichtquelle 102 über einen Spiegel 142 gestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150, um Licht zu empfangen, indem eine Lichtmenge eines reflektierten Lichts b5, das durch das Prisma 144 reflektiert wird, bezüglich des Lichts b4 geändert wird; eine Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160 (siehe 6C), um eine Absolutpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Prismas 144 in einer Messrichtung basierend auf einer Änderung einer Lichtmenge eines reflektierten Lichts b5, b6 auszugeben, das vom Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150 empfangen wird.
In dieser Ausführungsform ist, wie in 6A veranschaulicht ist, ein durch Licht b4 zu bestrahlendes, auf dem zu messenden Objekt 10 montiertes Ziel das Prisma 144 mit einer vorgeschriebenen Dicke, um eine Absolutpositionsinformation einer Verschiebung des zu messenden Objekts 10 in der Messrichtung optisch zu detektieren. Wie in 6B veranschaulicht ist, ist auch an einer Seite der oberen Oberfläche des Prismas 144 ein Film mit variabler Reflexion 146 vorgesehen, in welchem eine Reflexionscharakteristik entlang der Messrichtung (der in 6B veranschaulichten X-Richtung) variiert.
Wie in 6A veranschaulicht ist, umfasst der Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition 150: ein fünftes, aus einer Fotodiode oder dergleichen bestehendes lichtempfangendes Element 152 für eine fotoelektrische Umwandlung, indem Licht über eine zweite Linse 151 zum Konvergieren des durch den Film mit variabler Reflexion 146 reflektierten Lichts b5 des Lichts b4 empfangen wird; und ein sechstes, aus einer Fotodiode oder dergleichen bestehendes lichtempfangendes Element 154 für eine fotoelektrische Umwandlung, indem Licht über eine dritte Linse 153 zum Konvergieren des durch das zu messende Objekt 10 reflektierten Lichts b6 des kohärenten Lichts b4 empfangen wird. Signale, die durch eine fotoelektrische Umwandlung an dem fünften lichtempfangenden Element 152 und dem sechsten lichtempfangenden Element 154 erhalten werden, werden zu der in 6C veranschaulichten Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160 übertragen.
Wie in 6C veranschaulicht ist, umfasst die Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit 160: eine erste Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 161; eine zweite Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 162; einen Komparator 163; eine Addiermaschine 164; und einen Absolutpositions-Wandler 165. Die erste Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 161 wandelt ein durch fotoelektrische Umwandlung an dem fünften lichtempfangenden Element 152 umgewandeltes Signal in einen Spannungswert um. Die zweite Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 162 wandelt ein durch fotoelektrische Umwandlung an dem sechsten lichtempfangenden Element 154 umgewandeltes Signal in einen Spannungswert um. Der Komparator 163 berechnet eine Differenz einer Positionsinformation der Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 161 und der zweiten Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 162. Die Addiermaschine 164 addiert Ausgangssignale der ersten Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 161 und der zweiten Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit 162. Der Absolutpositions-Wandler 165 gibt eine Absolutpositionsinformation und Verschiebung des Prismas 144 mit dem Film mit variabler Reflexion 146 in einer Messrichtung X basierend auf einer Information des Komparators 163 und der Addiermaschine 164 aus.
Insoweit geht in dem Absolutpositions-Detektionsmittel 140 dieser Ausführungsform ein über den Spiegel 142 eingetretenes kohärentes Licht b4 durch den Film mit variabler Reflexion 146, und eines davon wird von dem Film mit variabler Reflexion 146 reflektiert, und das andere davon geht durch den Film mit variabler Reflexion 146 hindurch. Eine Differenz einer Lichtmenge zwischen dem reflektierten Licht b5, das von dem Film mit variabler Reflexion 146 reflektiert wurde, und dem reflektierten Licht b6, das nach einem Durchgang durch den Film mit variabler Reflexion 146 von dem zu messenden Objekt 10 reflektiert wurde, wird durch das fünfte lichtempfangende Element 152 und das sechste lichtempfangende Element 154 aufgenommen, und es wird durch Finden eines Differentials und Subtrahieren DC-gelöscht (engl. DC cancelled). Selbst wenn es Rauschen oder eine Variation einer Lichtmenge gab, kann es durch Finden des Differentials gelöscht bzw. aufgehoben werden. Daher ist es, indem man eine Änderung eines Durchlässigkeitsgrads und eines Reflexionsgrads effizienter liest, möglich, eine Absolutpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich wird.
Als Nächstes wird unter Verwendung der Zeichnungen eine Operation einer Verschiebungsdetektion durch die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. 7 ist ein Blockdiagramm, das eine Skizze einer Signalabgabe durch die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 8 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Winkel eines Lissajous-Signals eines Inkrementalsignal-Generators veranschaulicht, der in dem Relativpositions-Detektionsmittel bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. 9 ist eine grafische Darstellung, die eine Signalabgabe jeder Komponente der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Wie in 7 veranschaulicht ist, gibt in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Absolutpositionssignal-Generator 170 basierend auf einer Absolutpositionsinformation und einer Verschiebung des Prismas 144 in der Messrichtung X, die vom Absolutpositions-Wandler 165 abgegeben wird, und einem eine Relativpositionsinformation zeigenden Inkrementalsignal, das von dem Inkrementalsignal-Generator 136 abgegeben wird, ein Absolutpositionsignal ab.
In dem Inkrementalsignal-Generator 136 der Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit 130 (siehe 4) werden ein Verschiebungsbetrag und eine Verschiebungsrichtung des Ziels 112 basierend auf Signalen berechnet, die von dem ersten Differenzverstärker 131 und dem zweiten Differenzverstärker 132 bereitgestellt werden, die an der Eingangsstufenseite angeordnet sind, und wird ein Inkrementalsignal erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Winkel θ eines in 8 veranschaulichten Lissajous-Signals basierend auf den von dem ersten Differenzverstärker 131 (siehe 4) und dem zweiten Differenzverstärker 132 (siehe 4) bereitgestellten Signalen berechnet.
In dieser Ausführungsform werden SIN, das durch DC-Löschen des ersten lichtempfangenden Elements 123 und des zweiten lichtempfangenden Elements 124 erhalten wird, und COS, das durch DC-Löschen des dritten lichtempfangenden Elements 127 und des vierten lichtempfangenden Elements 128 erhalten wird, mittels einer Winkelberechnung, nachdem sie jeweils A/D-umgewandelt wurden, berechnet, um ein in 8 veranschaulichtes Lissajous-Signal zu bilden. Konkret wird, indem SIN bei x bzw. COS bei y aufgetragen wird, eine kreisförmige Lissajous-Kurve dargestellt, und eine Ausgabe des Inkrementalsignal-Generators 136 stellt einen Kreis dar, wie in 9 veranschaulicht ist, indem das Ziel 112 in der Messrichtung transversal bewegt wird. Dies wird durch einen Winkel einer Einheitszeit gefunden, der eine Verschiebungsinformation darstellen soll. Eine derartige Verschiebungsinformation wird als Ausgabe des Inkrementalsignal-Generators 136 ausgegeben, so dass eine Winkelinformation mit einer Periode von 360 Grad ausgegeben wird, und sie wird auch zu 0 Grad zurückgeführt, um sie von 0 Grad bis 360 Grad kontinuierlich zu wiederholen.
Wenn sie zum Beispiel 100 µm mit einer Periode von 360 Grad beträgt und wenn θ 0 Grad ist, wird sie 0 mm sein, und wenn θ 90 Grad beträgt, wird sie 25 µm sein, und wenn θ 180 Grad beträgt, wird sie 50 µm sein. Zu diesem Zeitpunkt wird der Inkrementalsignal-Generator 136 eine Relativposition gemäß einer Auflösung von 100 µm/65536 = 1,53 nm ausgeben können, indem mit einem A/D-Wandler mit 16 Bit geteilt wird. Auf der anderen Seite gibt der Absolutpositions-Wandler 165 eine Adressinformation mit einer Periode 100 µm eines Inkrementalsignals aus, und eine Absolutposition einer höherwertigen Ziffer (engl. digit of high ranking) 100 µm wird durch den Absolutpositionssignal-Generator 170 bestimmt, und sie wird mit einem Inkrementalsignal kombiniert.
In der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform ändert sich, indem sie das obige Relativpositions-Detektionsmittel 110 und das Absolutpositions-Detektionsmittel 140 umfasst, wenn sie wie in 9 veranschaulicht für eine Periode von 100 µm ausgelegt ist, ein Polarisationszustand eines durch das Ziel 112 reflektierten Strahls von einer vertikalen Polarisation in eine zirkulare Polarisation im Gegenuhrzeigersinn, und, während er weiter fortschreitet, wechselt er in eine lineare Polarisation in einer horizontalen Richtung und, indem er weiter fortschreitet, wechselt er in eine zirkulare Polarisation im Uhrzeigersinn und kehrt dann zu einer vertikalen Polarisation zurück, und ein Signal einer Periode kann gefunden werden.
Betrachtet man im Gegensatz dazu eine Signalabgabe des ersten lichtempfangenden Elements 123 und des zweiten lichtempfangenden Elements 124, wird, wenn eine Abgabe des ersten lichtempfangenden Elements 123, durch das die reflektierten Lichter b2, b7, b9 ohne Änderung durchgehen, bei MAX liegt, eine Abgabe des zweiten lichtempfangenden Elements 124, um reflektiertes Licht b10, das durch den ersten polarisierenden Strahlteiler 122 reflektiert wurde, zu empfangen, MIN. Mit anderen Worten wird, wenn ein Ausgangssignal des ersten lichtempfangenden Elements 123 eine Sinuskurve ist, ein Ausgangssignal des zweiten lichtempfangenden Elements 124 eine -Sinuskurve sein.
Auf der anderen Seite geht das reflektierte Licht b8, das durch den Strahlteiler 121 reflektiert wurde, durch die Viertel-Wellenlänge-Platte 125 durch, so dass es bezüglich einer Signalabgabe des dritten lichtempfangenden Elements 127 und des vierten lichtempfangenden Elements 128 eine cos-Kurve bzw. eine -cos-Kurve sein wird.
In dieser Ausführungsform wird ein Differential einer Signalabgabe des ersten lichtempfangenden Elements 123 und des zweiten lichtempfangenden Elements 124 durch den ersten Differenzverstärker 131 gefunden, und ein Differential einer Signalabgabe des dritten lichtempfangenden Elements 127 und des vierten lichtempfangenden Elements 128 wird durch den zweiten Differenzverstärker 132 gefunden, so dass ein Ausgangssignal des ersten Differenzverstärkers 131 und des zweiten Differenzverstärkers 132 jeweils eine doppelte Amplitude aufweisen wird. Zu diesem Zeitpunkt veranschaulicht eine Transversallinie von 9 0V, und sie ist DC-gelöscht. Hierdurch wird sie auf eine 0V-Mitte geändert, selbst wenn eine Lichtmenge geändert wird, so dass es keinen Phasendetektionsfehler geben wird. Diese differentiell verstärkten Signale werden eine sin-Kurve bzw. cos-Kurve, und es wird eine Winkelinformation mit einer Periode von 360 Grad durch den Inkrementalsignal-Generator 136 vorliegen.
Diese Winkelinformation wird durch das obige Lissajous-Signal gefunden. Wenn zum Beispiel eine Einheit einer Absolutpositionsinformation 100 µm beträgt, wird sie eine Absolutinformation von 360 Grad innerhalb 100 µm. Sie wird in einen ursprünglichen Zustand zurückgeführt, wenn sie 100 µm überschreitet, so dass kein periodisches Signal gebildet wird, und eine Absolutpositionsdetektion wird nicht möglich sein. Indem ein Differential eines von einem Laser kommenden Lichts an einer Oberfläche und nach Durchgang durch das Absolutpositions-Detektionsmittel 140 gefunden wird, wird eines reflektiert, und das andere wird durchgelassen. Daher wird sich dieses Gleichgewicht in ein lineares ändern, so dass es bei Subtraktion ein Signal sein wird, in welchem eine Spannung allmählich erhöht wird. In dieser Ausführungsform werden Ausgangssignale dieser Differenzverstärker 131 und 132 durch die A/D-Wandler 133 und 134 digital umgewandelt, aber, indem eine Spannungsänderung digital umgewandelt und subtrahiert wird, wird ein DC-gelöschtes Signal erhalten. Daher wird eine grafische Darstellung, die eine Zunahme einer sanften Steigung einer Periode wiederholt, als digitaler Winkelwert eines durch den Inkrementalsignal-Generator 136 gebildeten Inkrementalsignals erhalten, und eine graphische Darstellung, in der ein digitaler Absolutwert in Stufen in einem vorgeschriebenen Intervall zunimmt, wird als digitaler Absolutwert des Absolutpositions-Wandlers 165 erhalten.
Insofern ist in dieser Ausführungsform ein Querschnitt des doppelbrechenden Bauteils 116 des Ziels 112 des Relativpositions-Detektionsmittels 110, in welchem sich eine Dicke in der Messrichtung ändert, als eine Keilform gestaltet, und eine Spitze 116a des doppelbrechenden Bauteils 116 ist bezüglich eines Basisendes 116b ebenfalls drehbar, so dass es möglich ist, eine Periode eines Inkrementalsignals durch eine Anordnung und Neigung des doppelbrechenden Bauteils 116 in eine gewünschte Größe zu ändern. Mit anderen Worten kann sie mittels einer Signalperiode eines Inkrementalsignals ohne Wechseln von Teilen wie herkömmlicherweise in eine gewünschte Periode geändert werden, so dass es möglich ist, die Relativpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man eine weite Signalperiode mit einer einfachen Struktur abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich sein wird.
Außerdem durchlaufen in dieser Ausführungsform zwei Lichtwellen zum Detektieren einer Verschiebung räumlich einen gleichen Lichtweg, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich sein wird, ohne durch eine Störung beeinflusst zu werden. Ferner sind in dieser Ausführungsform das Relativpositions-Detektionsmittel 110 und das Absolutpositions-Detektionsmittel 140 bezüglich der Messrichtung des zu messenden Objekts 110 auf einer Linie bzw. linear angeordnet, so dass es möglich ist, eine Absolutpositionsinformation sicher und präzise basierend auf einer Relativpositionsinformation des Ziels auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Periode eines Inkrementalsignals abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung möglich sein wird, und sie hat einen sehr bedeutenden gewerblichen Wert.
Außerdem ist eine Struktur des doppelbrechenden Bauteils 116 des Ziels 112 des Relativpositions-Detektionsmittels 110 nicht auf eine dreieckige Prismenform mit einem keilförmigen Querschnitt beschränkt, solange sie eine Form ist, in der sich eine Dicke in Bezug auf die Messrichtung ändert. Zum Beispiel kann es, wie in 10A veranschaulicht ist, ein doppelbrechendes Bauteil 116c mit einer konvexen gekrümmten Form oder ein doppelbrechendes Bauteil 116d mit einer konkaven gekrümmten Form oder ein doppelbrechendes Bauteil 116e mit einer Sinuskurvenform sein. Insofern wird, indem das doppelbrechende Bauteil in eine Form gestaltet wird, in der sich eine Dicke bezüglich der Messrichtung ändert, wie in 10B dargestellt ist, eine Positionsinformation bezüglich eines Bewegungsbetrags der Messrichtung einhergehend mit einer Änderung einer solchen Form geändert, so dass es möglich ist, eine Periode eines Inkrementalsignals durch eine Anordnung und Neigung des doppelbrechenden Bauteils in eine gewünschte Größe zu ändern.
Außerdem kann das doppelbrechende Bauteil 116 aus einer Vielzahl verschiedener Bauteile gestaltet werden. Beispielsweise kann man, wie in 11A veranschaulicht ist, eine Empfindlichkeit einer Signalabgabe durch eine Messstelle ändern, indem man so konfiguriert, dass zwei doppelbrechende Bauteile 116f und 116g parallel entlang der Messrichtung angeordnet werden. Außerdem kann man, wie in 11B veranschaulicht ist, eine Signalperiode ändern, indem man so konfiguriert, dass zwei doppelbrechende Bauteile 116h und 116i entlang einer Einfallsrichtung eines Lichts, d.h. einer Richtung des einfallenden Lichtstrahls, geschichtet werden. Insoweit ist es, indem das doppelbrechende Bauteil mit einer Vielzahl von Bauteilen konfiguriert wird, möglich, eine Periode oder eine Empfindlichkeit einer Signalabgabe, die eine Änderung eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung zeigt, mit einer einfachen Struktur leicht zu ändern.
Ferner kann das doppelbrechende Bauteil 116 so konfiguriert sein, dass eine Vielzahl von Bauteilen mit einer unterschiedlichen Kristallachsenrichtung entlang einer Einfallsrichtung eines Lichts geschichtet werden, um einen Einfluss einer thermischen Fluktuation oder durch eine Wellenlängenvariation einer Lichtquelle zu hemmen. Beispielsweise kann, wie in 12A veranschaulicht ist, ein anderes doppelbrechendes Bauteil 116k mit einer äquivalenten Funktion mit einer zu einem doppelbrechenden Bauteil 116j orthogonalen Kristallachse dem doppelbrechenden Bauteil 116j überlagert werden. Hiermit ist es, da Kristallachsenrichtungen jedes doppelbrechenden Bauteils 116j, 116k zueinander orthogonal sind, möglich, einen Einfluss durch eine thermische Fluktuation oder durch eine Wellenlängenfluktuation einer Lichtquelle zu hemmen. Außerdem ist es, wie in 12B veranschaulicht ist, möglich, einen Abbe-Fehler zu verhindern, indem ein Querschnitt eines doppelbrechenden Bauteils 1161 in ein gleichschenkliges Dreieck konfiguriert wird und indem es zum Zeitpunkt einer Messung bei einer Stellung einer Winkelmitte des gleichschenkligen Dreiecks in Linie angeordnet wird. Ferner ist es, wie in 12C veranschaulicht ist, möglich, eine Winkelabweichung eines emittierten Lichtstrahls zu hemmen und eine Dicke doppelbrechender Bauteile 116n und 116o zu verringern, indem ein anderes doppelbrechendes Bauteil 116n mit einer gleichen Form und einer äquivalenten Funktion und Kristallachse, die bezüglich des doppelbrechenden Bauteils 116o orthogonal ist, dem doppelbrechenden Bauteil 116o überlagert wird. Außerdem kann bezüglich dieser Funktionen und Effekte ein äquivalenter Effekt erhalten werden, indem ein folgendes Korrekturprisma 129, 229 gleich wie oben konfiguriert wird.
Außerdem ist bezüglich des doppelbrechenden Bauteils 116 eine Oberfläche, in die ein einfallender Lichtstrahl eintritt, nicht auf eine geneigte Oberfläche beschränkt, und sie kann eine andere Oberfläche sein. Beispielsweise ist es, wie in 13 veranschaulicht ist, möglich, wenn das doppelbrechende Bauteil 116p eine ebene Oberfläche 116p1 aufweist, die von einer geneigten Oberfläche 116p2 verschieden ist, einen Brechungswinkel des einfallenden Lichtstrahls zu verhindern, falls eine Spitzenseite der geneigten Oberfläche 116p2 auf dem Reflektor 114 angeordnet ist und falls ein einfallender Lichtstrahl vertikal in die ebene Oberfläche 116p1 eintritt, die an einer oberen Seite angeordnet ist, so dass es für eine Hochpräzisionsmessung effektiv ist.
Außerdem kann sie als eine andere Struktur konfiguriert werden, solange die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100, die mit dem Relativpositions-Detektionsmittel 110 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist, eine Struktur derart aufweist, dass das Absolutpositions-Detektionsmittel 140 und das Relativpositions-Detektionsmittel 110 bezüglich der Messrichtung des zu messenden Objekts 10 auf einer Linie angeordnet sind.
Beispielsweise kann, wie in 14 veranschaulicht ist, der auf dem zu messenden Objekt montierte Reflektor ein Prisma 244 mit einem Reflexionsfilm sein, welches für das Absolutpositions-Detektionsmittel 240 und das Relativpositions-Detektionsmittel 210 gemeinsam vorgesehen ist. Wie in 14 veranschaulicht ist, hat das Prisma 244 mit einem Reflexionsfilm, das in einer Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200 bezüglich dieses modifizierten Beispiels vorgesehen ist, eine Kastenform, und Prismenoberflächen 244a und 244b, deren Querschnitt annähernd eine V-Form aufweist, sind innen angeordnet. An einer Seite einer oberen Oberfläche des Prismas 244 mit einem Reflexionsfilm sind auch ein doppelbrechendes Bauteil 216 und ein Film mit variabler Reflexion 246 auf einer Linie (koaxial) entlang der Messrichtung angeordnet. Das doppelbrechende Bauteil 216 und der Film mit variabler Reflexion 246 können nicht auf einer Linie angeordnet sein; aber in diesem Fall besteht eine Gefahr, dass ein Abbe-Fehler bei einer Absolutpositionsdetektion und Relativpositionsdetektion durch eine Lageänderung des zu messenden Objekts auftritt, so dass es vorzuziehen ist, sie auf einer Linie anzuordnen. Außerdem sind Struktur und Funktion des doppelbrechenden Bauteils 216 und des Films mit variabler Reflexion 246 gleiche wie jene, die in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, so dass deren Erläuterung weggelassen wird.
In diesem modifizierten Beispiel ist, um bei jedem lichtempfangenden Element 223, 224, 227, 228, 252, 254 einen Lichteinfall in einer vertikalen Richtung zu ermöglichen, in dem Relativpositions-Detektionsmittel 210 eine vierte Linse 217 auf einer Eingangsstufenseite eines Strahlteilers 221 zum Konvergieren eines reflektierten Lichts b'3 eines reflektierten Lichts b'2 eines Lichts b'1 von einer Lichtquelle 202, das durch das Prisma 244 mit einem Reflexionsfilm reflektiert wird, angeordnet, und ein Spiegel 218 ist an einer Ausgangsstufe, auf Seiten des ersten lichtempfangenden Elements 223, eines ersten polarisierenden Strahlteilers 222 angeordnet, und ein Spiegel 219 ist an einer Ausgangsstufe, auf Seiten des dritten lichtempfangenden Elements 227, eines zweiten polarisierenden Strahlteilers 226 angeordnet. Auf der anderen Seite sind, wie in 14 veranschaulicht ist, in dem Absolutpositions-Detektionsmittel 240 ein Polarisator 255, ein polarisierender Strahlteiler 256 und eine Viertel-Wellenlänge-Platte 227 zwischen einem Spiegel 242 und dem Prisma 244 mit einem Reflexionsfilm angeordnet, und ein Spiegel 258 ist ebenfalls an einer Ausgangsstufe, auf Seiten eines fünften lichtempfangenden Elements 252, des polarisierenden Strahlteilers 256 angeordnet.
Insofern ist in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200 dieses modifizierten Beispiels ebenso wie der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Querschnitt des doppelbrechenden Bauteils 216 des Ziels des Relativpositions-Detektionsmittels 200, in dem sich eine Dicke in der Messrichtung ändert, als Keilform gestaltet, und eine Spitze 216a des doppelbrechenden Bauteils 216 ist ebenfalls bezüglich eines Basisendes 216b drehbar, so dass es möglich ist, eine Periode eines Inkrementalsignals durch eine Anordnung und Neigung des doppelbrechenden Bauteils 216 in eine gewünschte Größe zu ändern. Daher ist es möglich, die Relativpositionsinformation des Ziels sicher und präzise auszugeben, während man mit einer einfachen Struktur eine weite Signalperiode abdecken kann, so dass eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung des zu messenden Objekts möglich sein wird.
Außerdem ist der auf dem zu messenden Objekt montierte Reflektor ein Prisma 244 mit einem Reflexionsfilm, das für das Absolutpositions-Detektionsmittel 240 und das Relativpositions-Detektionsmittel 210 gemeinsam vorgesehen ist, und auch konfiguriert, um einen Lichteinfall in einer vertikalen Richtung bei jedem lichtempfangenden Element 223, 224, 227, 228, 252, 254 zu ermöglichen, so dass es möglich ist, in der Vorrichtung Platz einzusparen, und dies hat einen sehr bedeutenden gewerblichen Wert.
Außerdem kann, wie in 14 veranschaulicht ist, in dieser Ausführungsform, wenn die Lichtquelle 202 durch eine Faser eingeführt wird, eine Wellenlängenvariation abgeschätzt und korrigiert werden, indem eine Temperatur der Lichtquelle 202 gemessen wird. Wenn auf der anderen Seite die Lichtquelle 202 keine Faser ist und wenn sie eine Form aufweist, dass eine LD in einem Sensorkopfteil enthalten ist, wird es möglich sein, eine ähnliche Korrektur einer Wellenlängenvariation durch Anordnen eines Thermometers nahe der LD und des Sensorkopfteils durchzuführen.
Außerdem ist es nicht immer notwendig, dass eine optische Achse des doppelbrechenden Bauteils 216 zur Messrichtung parallel oder orthogonal ist. Beispielsweise sollte in dem doppelbrechenden Bauteil 216 mit einer optischen Achse, die zur x-Achse von 14 parallel oder orthogonal ist, wenn eine optische Achse um 45 Grad bezüglich einer x-Achse mit einer z-Achse als Drehachse gedreht wird und falls die Lichtquelle 202 linear polarisiertes Licht ist, die Lichtquelle 202 und ein Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220 um 45 Grad mit einer z-Achse als Drehachse geneigt werden. Auf der anderen Seite ist es, wenn die Lichtquelle 202 zirkular polarisiertes Licht ist, nicht notwendig, die Lichtquelle 202 zu drehen. Insoweit wird durch Verbessern eines Gestaltungsspielraums einer optischen Achse eine flexible und hochpräzise Detektion der Verschiebung möglich sein.
Ferner kann in dieser Ausführungsform in einem Licht, das von einer Lichtquelleneinheit (Sensorkopf) in das doppelbrechende Bauteil 216, welches ein Ziel ist, eintreten soll, ein Polarisationszustand eine zirkulare Polarisation sein. Wenn ein Polarisationszustand eines Einfallslichts eine zirkulare Polarisation ist, ist es, selbst wenn ein Azimut eines Sensorkopfs abweicht, möglich, ein elektrolytisches Komponentenverhältnis eines ordentlichen Lichts und außerordentlichen Lichts in einem doppelbrechenden Medium immer äquivalent zu machen.
Außerdem ist, wie in 14 veranschaulicht ist, in dieser Ausführungsform eine Viertel-Wellenlänge-Platte 225 zwischen dem Strahlteiler 221 und dem zweiten polarisierenden Strahlteiler 226 angeordnet; aber die Viertel-Wellenlänge-Platte 225 kann entfernt und unmittelbar vor dem Strahlteiler 221 angeordnet werden. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Einstellung bevorzugt, (+/-)-Sinussignale und (+/-)-Cosinussignale erhalten zu können, indem ein Azimutwinkel einer P-Polarisationsachse und einer S-Polarisationsachse von PBS eines Interferenzsignal-Detektors eingestellt wird und indem eine optische Achse der Viertel-Wellenlänge-Platte 225 so angeordnet wird, dass sie bezüglich einer optischen Achse des doppelbrechenden Bauteils um 45 Grad geneigt ist.
Außerdem ist in dem Relativpositions-Detektionsmittel 210 der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200, die in 14 veranschaulicht ist, ein Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220 zum Detektieren einer Änderung eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung angeordnet; aber zwei Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220 können entlang der Messrichtung angeordnet sein. Beispielsweise sind, wie in 15 veranschaulicht ist, ein erster Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220a und ein zweiter Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220b in einer Reihe entlang der Messrichtung angeordnet, und die beiden Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220a und 220b werden durch die gleiche Lichtquelle 202 betrieben, um einen Phasenfluktuationsbetrag an zwei Stellen des doppelbrechenden Bauteils 216 zu erhalten, so dass basierend auf einer Differenz zwischen zwei Stellen ein Betrag einer Wellenlängenvariation abgeschätzt und korrigiert wird.
Beispielweise wird eine Phasendifferenz Φ eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts durch eine Wellenlängenvariation durch folgende Formel (9) repräsentiert, wobei eine Wellenlänge eine Lichts λ ist, eine Dicke des doppelbrechenden Bauteils 216, die eine Phasendifferenz Φ ergibt, wenn die Wellenlänge λ ist, d ist und eine Brechungsindexdifferenz eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts Δn ist. $Φ = Δ n * d/ λ$
Eine Dicke d des doppelbrechenden Bauteils 216, die eine Phasendifferenz Φ ergibt, wenn die Wellenlänge λ ist, wird durch die folgende Formel (10) repräsentiert, wobei eine Neigung einer Steigung bzw. Schräge des doppelbrechenden Bauteils 216 k ist und ein Bewegungsbetrag des doppelbrechenden Bauteils 216 in der Messrichtung x ist. $d = k * x$
Daher wird eine Phasendifferenz ΔΦ1 eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts, die durch den ersten Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220a detektiert werden, durch folgende Formeln (11) bis (13) repräsentiert, wobei die Wellenlänge eines Lichts λ, λ' ist, die Dicke des doppelbrechenden Bauteils 216, die eine Phasendifferenz ΔΦ1, ΔΦ1' ergibt, wenn die Wellenlänge λ, λ' ist, d1 ist und die Brechungsindexdifferenz eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts Δn ist. $Φ 1 = Δ n * d1/ λ$
$Φ' 1 = Δ n * d1/ λ'$
$ΔΦ 1 = Φ' 1 - Φ 1$
Auf der anderen Seite wird eine Phasendifferenz ΔΦ2 eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts, die durch den zweiten Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220b detektiert werden, durch folgende Formeln (14) bis (16) repräsentiert, wobei die Wellenlänge eines Lichts λ, λ' ist, die Dicke des doppelbrechenden Bauteils 216, die eine Phasendifferenz ΔΦ2, ΔΦ'2 ergibt, wenn die Wellenlänge λ, λ' ist, d2 ist und die Brechungsindexdifferenz eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts Δn ist. $Φ 2 = Δ n * d2/ λ$
$Φ' 2 = Δ n * d2/ λ'$
$ΔΦ 2 = Φ' 2 - Φ 2$
Mit den obigen Formeln (9) bis (16) wird eine Phasendifferenz ΔΦ12 eines ordentlichen Licht und eines außerordentlichen Lichts, die durch den ersten Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220a und den zweiten Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220b detektiert werden, durch folgende Formel (17) dargestellt. $ΦΔ 12 = Δ n * k * {(λ - λ') / λλ'} * Δ x$
Daher wird eine Wellenlänge λ' nach einer Modulation durch folgende Formel (18) dargestellt. $λ' = {Δ n * k * λ * Δ x} / {ΔΦ 12 * λ + Δ n * k * Δ x}$
Insofern ist in dieser Ausführungsform eine Phasendifferenz eines ordentlichen Lichts und eines außerordentlichen Lichts durch eine Wellenlängenvariation einer Dicke d des doppelbrechenden Bauteils 216 proportional, so dass, falls Δx und eine Neigung k des doppelbrechenden Bauteils 216 bekannt sind, es möglich ist, einen Betrag einer Wellenlängenvariation abzuschätzen. Daher ist es möglich, einen Betrag einer Wellenlängenvariation einfach abzuschätzen, der auf einer Differenz eines Phasenfluktuationsbetrags eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts basiert, das von jedem Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 220a, 220b detektiert wird, so dass eine Detektion einer Verschiebung mit höherer Genauigkeit möglich ist, indem basierend auf solch einer Abschätzung ein Betrag einer Wellenlängenvariation korrigiert wird.
Außerdem ist eine Form des Prismas 244 mit einem Reflexionsfilm, das in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200 bezüglich eines modifizierten Beispiels einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, nicht auf eine in 14 veranschaulichte Form beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 16 veranschaulicht ist, ein Querschnitt eines Prismas 244' mit einem Reflexionsfilm eine symmetrische hexagonale Form sein.
Konkret ist, wie in 16 veranschaulicht ist, das Prisma 244' mit einem Reflexionsfilm so gestaltet, dass Prismenoberflächen 244'a und 244'b in der Nähe einer Seite der unteren Oberfläche des Prismas 244' mit einem Reflexionsfilm angeordnet sind und ein Reflexionsfilm 248 bei ungefähr einer Mitte einer Seite der oberen Oberfläche des Prismas 244' mit einem Reflexionsfilm angeordnet ist. Außerdem sind Struktur und Funktion des doppelbrechenden Bauteils 216 und des Films mit variabler Reflexion 246 gleiche wie jene, die in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, so dass deren Erläuterung weggelassen wird.
Durch Konfigurieren des Prismas 244' mit einem Reflexionsfilm wie oben wird reflektiertes Licht b'2a, b'11a eines Einfallslichts b'1, b'10 in das Prisma 244' mit einem Reflexionsfilm, das durch die Prismenoberfläche 244'a reflektiert wird, durch den Reflexionsfilm 248 reflektiert, und reflektiertes Licht b'2b, b'11b, das durch den Reflexionsfilm 248 reflektiert wird, wird durch die Prismenoberfläche 244'b reflektiert. Selbst wenn das Prisma 244' mit einem Reflexionsfilm in eine Y-Richtung bewegt wird, welche eine zur Messrichtung senkrechte Richtung ist, wird daher ein Abstand I1 zwischen einem einfallenden Licht b'1, b'10 und einem reflektierten Licht b'3, b'12, das durch die Prismenoberfläche 244'b reflektiert wird, konstant, so dass ein Empfang eines Lichts durch jedes lichtempfangende Element 223, 224, 227, 228, 252, 254 (siehe 14), das in dem Absolutpositions-Detektionsmittel 240 und dem Relativpositions-Detektionsmittel 210 vorgesehen ist, stabil wird. Daher wird eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung durch das Absolutpositions-Detektionsmittel 240 (siehe 14) und das Relativpositions-Detektionsmittel 210 (siehe 14) möglich sein.
Außerdem kann in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 100, 200, wenn man nicht sagen kann, dass ein Durchmesser eines zur Messung verwendeten Strahls bezüglich einer Länge einer Periode eines Absolutpositionssignals des Absolutpositions-Detektionsmittels 140, 240 wie in 17 und 18 veranschaulicht ausreichend klein ist, ein Strahl durch ein Korrekturprisma 129, 229 durchgelassen werden, bevor er in das doppelbrechende Bauteil 116, 216 eintritt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Bauteil mit einer äquivalenten Funktion wie das doppelbrechende Bauteil 116, 216, zum Beispiel ein Bauteil mit einem gleichen Material und einer gleichen Form, als das Korrekturprisma 129, 229 genutzt. Eine optische Achse des Kristalls des Korrekturprismas 129, 229 ist jedoch orthogonal zum doppelbrechenden Bauteil 116, 216. Außerdem könnte bezüglich einer Position des Korrekturprismas 129, 229 es entweder vor oder nach einem Eintritt eines Strahls in das doppelbrechende Bauteil 116, 216 angeordnet werden; aber es wird nur an einer von diesen angeordnet.
Durch Anordnen des Korrekturprismas 129, 229 mit solch einer Konfiguration entweder vor oder nach einem Eintritt eines Strahls in das doppelbrechende Bauteil 116, 216 wird ein Polarisationszustand in einer Strahlverteilung, die durch das doppelbrechende Bauteil 116, 216 durchgelassen wird, einheitlich. Dadurch wird eine stabile und hochpräzise Detektion einer Verschiebung durch das Absolutpositions-Detektionsmittel 140, 240 möglich. Außerdem kann, wie in 19A veranschaulicht ist, ein Bauteil mit einer äquivalenten Funktion wie das doppelbrechende Bauteil 116, 216, zum Beispiel ein Bauteil mit einem gleichen Material und einer gleichen Form, als ein Korrekturprisma 129a, 229a genutzt werden, und das Korrekturprisma 129, 229a kann so angeordnet sein, dass es dem doppelbrechenden Bauteil 116, 216 gegenüberliegt. Außerdem ist es, wie in 19B veranschaulicht ist, möglich, einen äquivalenten Effekt zu erhalten, selbst wenn ein Korrekturprisma 129b, 229b so angeordnet wird, dass es mit dem doppelbrechenden Bauteil 116, 216 symmetrisch ist.
Außerdem kann, wie in 20 veranschaulicht ist, bezüglich der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200 eine polarisierende Platte 230 zwischen einer ersten Linse 204 und einem lichtquellenseitigen Strahlteiler 208 montiert sein. Durch Anordnen der polarisierenden Platte 230 wie oben kann ein zur Detektion einer Verschiebung genutzter Strahl ein höheres Extinktionsverhältnis aufweisen. Daher wird in der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200, die polarisiertes Licht nutzt, eine Detektion einer Verschiebung mit höherer Präzision möglich sein. Außerdem kann zu diesem Zeitpunkt, wie in 20 veranschaulicht ist, in dem Absolutpositions-Detektionsmittel 240 eine Anordnung des Polarisators 255 (siehe 14 und 18) zwischen dem Spiegel 242 und dem polarisierenden Strahlteiler 256 unterlassen werden. Außerdem kann die polarisierende Platte 230 irgendwo zwischen der Lichtquelle 202 und dem doppelbrechenden Bauteil 216 angeordnet werden; es ist aber am effektivsten, die polarisierende Platte 230 unmittelbar vor dem doppelbrechenden Bauteil 216 mit einer um 45 Grad bezüglich einer Kristallachse des doppelbrechenden Bauteils 216 versetzten Kristallachse der polarisierenden Platte 230 anzuordnen. In diesem Fall ist es, selbst wenn das zu messende Objekt in einer Z-Richtung gedreht wird, möglich, einen Einfluss der Drehung zu hemmen bzw. zu verhindern, so dass sie bevorzugt ist. Außerdem wird, wenn die polarisierende Platte 230 an dem doppelbrechenden Bauteil 216 angebracht ist, selbst wenn das zu messende Objekt in der Z-Richtung gedreht wird, die polarisierende Platte 230 ebenfalls mitgedreht, so dass es möglich ist, einen Einfluss der Drehung zu verhindern.
Wie in 21 veranschaulicht ist, kann ferner eine Azimutkorrektur-Einheit 380, um eine Azimutkorrektur bezüglich eines reflektierten Lichts durchzuführen, zusätzlich bei einem Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 320 angeordnet werden, der in einem Relativpositions-Detektionsmittel 310 einer Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 300 dieser Ausführungsform vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform umfasst, wie in 21 veranschaulicht ist, die Azimutkorrektur-Einheit 380: einen Strahlteiler 381 für einfallendes Licht; ein Reflexionsprisma 382 für einfallendes Licht; eine polarisierende Platte 383 zur Azimutkorrektur; eine Linse 384 zum Detektieren einer Azimutdrehung; einen Strahlteiler 385 zum Detektieren einer Azimutdrehung; eine polarisierende Platte 386 zum Detektieren einer Azimutdrehung; ein Reflexionsprisma 387 für eine Leistungs-Überwachungseinrichtung; ein lichtempfangendes Element 388 für eine Leistungs-Überwachungseinrichtung; und ein lichtempfangendes Element 389 zum Messen eines Winkels. Außerdem kann in dieser Ausführungsform, um eine Empfindlichkeit eines Detektionswinkels eines Azimut zu verbessern, ein optisches Element, um eine Änderung eines Polarisations-Azimutwinkels zu vergrößern, wie etwa eine Halbe-Wellenlängen-Platte oder ein Dove-Prisma, unmittelbar vor dem Strahlteiler 385 zum Detektieren einer Azimutdrehung oder unmittelbar vor dem lichtempfangenden Element 389 zum Messen eines Winkels angeordnet werden.
Insofern wird durch Anordnen der Azimutkorrektur-Einheit 380 ein Einfallslicht b"1 von einer Lichtquelle 302 durch den Strahlteiler 381 für einfallendes Licht geteilt, und ein geteiltes Licht b"15 wird durch das Reflexionsprisma 382 für einfallendes Licht reflektiert. Reflektiertes Licht b"16 wird auch durch Prismenoberflächen 344a und 344b in einer ungefähren V-Form eines Prismas 344 mit einem Reflexionsfilm reflektiert, und reflektiertes Licht b"18 tritt in den Strahlteiler 385 zum Detektieren einer Azimutdrehung über die polarisierende Platte 383 für eine Azimutkorrektur und die Linse 384 zum Detektieren einer Azimutdrehung ein.
Das reflektierte Licht b"18, das in den Strahlteiler 385 zum Detektieren einer Azimutdrehung eingetreten ist, wird in geteiltes Licht b"19 geteilt, und das geteilte Licht b"19 wird durch das Reflexionsprisma 387 für eine Leistungs-Überwachungseinrichtung reflektiert, und reflektiertes Licht b"20 tritt in das lichtempfangende Element 388 für eine Leistungs-Überwachungseinrichtung ein. Auf der anderen Seite tritt durchgelassenes Licht b"21 des reflektierten Lichts b"18, das in den Strahlteiler 385 zum Detektieren einer Azimutdrehung eingetreten ist, in das lichtempfangende Element 389 zum Messen eines Winkels ein, nachdem es durch die polarisierende Platte 386 zum Detektieren einer Azimutdrehung durchgelassen wurde.
Das lichtempfangende Element 389 zum Messen eines Winkels liest eine Winkeldifferenz zwischen der polarisierenden Platte 383 zur Azimutkorrektur und der polarisierenden Platte 386 zum Detektieren einer Azimutdrehung und misst einen Azimutwinkel. Lissajous wird verdreht, wenn ein Azimut gedreht wird, und die Verdrehung wird ein Grund für einen Messfehler sein, so dass dessen Korrektur notwendig ist. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, zu korrigieren, falls ein Betrag einer Winkelabweichung eines Azimut präzise bekannt ist, so dass eine Funktion, um einen Azimutwinkel zu detektieren, notwendig sein wird. In dieser Ausführungsform ist hier die Azimutkorrektur-Einheit 380 zum Durchführen einer Azimutkorrektur bezüglich eines reflektierten Lichts beim Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition 320 angeordnet. Daher wird eine Differenz durch eine Winkeldifferenz eines reflektierten Lichts, das durch die polarisierenden Platten 383 und 386 durchgelassen wurde, modifiziert werden, und eine Detektion einer Verschiebung mit höherer Präzision wird möglich sein. Außerdem sind Struktur und Operation eines Absolutpositions-Detektionsmittels 340 und anderer Komponenten des Relativpositions-Detektionsmittels 310 der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 300 in dieser Ausführungsform gleiche wie die Verschiebungs-Detektionsvorrichtung 200 bezüglich einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, so dass deren Erläuterung weggelassen wird.
Außerdem wurde im Detail jede Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie die obigen erläutert; aber für den Fachmann ist leicht zu verstehen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne von neuen Sachverhalten und Effekten der vorliegenden Erfindung wesentlich abzuweichen. Daher sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung alle derartigen modifizierten Beispiele eingeschlossen.
Beispielsweise kann ein Begriff, der zumindest einmal in der Beschreibung oder den Zeichnungen zusammen mit einem verschiedenen Begriff verwendet wird, der eine weiter gefasste oder die gleiche Bedeutung hat, auch an jeder beliebigen Stelle in der Beschreibung oder den Zeichnungen durch den verschiedenen Begriff ersetzt werden. Die Struktur und die Operation der Verschiebungs-Detektionsvorrichtung und des Relativpositions-Detektionsmittels sind ferner nicht auf jene beschränkt, die in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sondern können in verschiedenen Modifikationen ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

10: zu messendes Objekt
100, 200, 300: Verschiebungs-Detektionsvorrichtung
102, 202, 302: Lichtquelle
104, 204: erste Linse
106, 255: Polarisator
108, 208: lichtquellenseitiger Strahlteiler
110, 210, 310: Relativpositions-Detektionsmittel
112: Ziel
114, 244, 344: Reflektor
116, 216, 316: doppelbrechendes Bauteil
116a: Spitze von 116
116b: Basisende von 116
120, 220, 320: Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition
121, 221, 321: Strahlteiler
122, 222, 322: erster polarisierender Strahlteiler
123, 223, 323: erstes lichtempfangendes Element
124, 224, 324: zweites lichtempfangendes Element
125, 225, 325: Viertel-Wellenlänge-Platte
126, 226, 326: zweiter polarisierender Strahlteiler
127, 227, 327: drittes lichtempfangendes Element
128, 228, 328: viertes lichtempfangendes Element
129, 229: Korrekturprisma
130: Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit
131: erster Differenzverstärker
132: zweiter Differenzverstärker
133: ersterA/D-Wandler
134: zweiter A/D-Wandler
135: Wellenformkorrektur-Verarbeitungseinheit
136: Inkrementalsignal-Generator
140, 240, 340: Absolutpositions-Detektionsmittel
142, 242, 342: Spiegel
144: Prisma
146, 246, 346: Film mit variabler Reflexion
150: Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition
151, 251, 351: zweite Linse
152, 252, 352: fünftes lichtempfangendes Element
153, 253, 353: dritte Linse
154, 254, 354: sechstes lichtempfangendes Element
160: Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit
161: erste Absolutpositionsinformations-Berechnungseinheit
162: zweiteAbsolutpositionsinformations-Berechnungseinheit
163: Komparator
164: Addiermaschine
165: Absolutpositions-Wandler
170: Absolutpositionssignal-Generator
230: polarisierende Platte
380: Azimutkorrektur-Einheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017149766 [0001]
JP 2017153710 [0001]
JP 2017184103 [0001]
JP 2018025747 [0001]
JP 2009300263 [0003]
JP 2016142552 [0003]

Claims

Relativpositions-Detektionsmittel, um eine Relativposition einer Verschiebung eines zu messenden Objekts in einer Messrichtung optisch zu detektieren, umfassend: ein Ziel, das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und mit Licht von einer Lichtquelle bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition, um Licht zu empfangen, indem ein Polarisationszustand eines reflektierten Lichts am Ziel bezüglich des Lichts geändert wird; und eine Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit, um eine Relativpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Ziels in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands des am Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition empfangenen reflektierten Lichts auszugeben, wobei das Ziel umfasst: einen auf dem zu messenden Objekt montierten Reflektor; und ein doppelbrechendes Bauteil, das auf dem Reflektor vorgesehen ist und eine Dicke aufweist, die sich von einer Spitze zu einem Basisende entlang der Messrichtung ändert, wobei das doppelbrechende Bauteil so konfiguriert ist, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche bezüglich des Reflektors mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche als Zentrum drehbar ist.
Relativpositions-Detektionsmittel nach Anspruch 1, wobei der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung detektiert, wobei die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit die Relativpositionsinformation des Ziels basierend auf einem durch eine fotoelektrische Umwandlung einer Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts erhaltenen Signal ausgibt.
Relativpositions-Detektionsmittel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition umfasst: einen Strahlteiler, um das reflektierte Licht in zwei zu teilen; einen ersten polarisierenden Strahlteiler, um eine P-Komponente eines durch den Strahlteiler geteilten reflektierten Lichts durchzulassen und eine S-Komponente davon zu reflektieren; ein erstes lichtempfangendes Element, um durchgelassenes Licht des ersten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen; ein zweites lichtempfangendes Element, um reflektiertes Licht des ersten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen; einen zweiten polarisierenden Strahlteiler, um eine P-Komponente eines anderen, durch den Strahlteiler geteilten reflektierten Lichts durchzulassen und eine S-Komponente davon zu reflektieren; eine Viertel-Wellenlänge-Platte, die zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten polarisierenden Strahlteiler angeordnet ist; ein drittes lichtempfangendes Element, um reflektiertes Licht des zweiten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen; und ein viertes lichtempfangendes Element, um durchgelassenes Licht des zweiten polarisierenden Strahlteilers zu empfangen.
Relativpositions-Detektionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das doppelbrechende Bauteil konfiguriert wird, indem eine Vielzahl verschiedener Bauteile parallel entlang der Messrichtung angeordnet wird, oder konfiguriert wird, indem eine Vielzahl verschiedener Bauteile entlang einer Einfallsrichtung des Lichts geschichtet wird.
Relativpositions-Detektionsmittel nach Anspruch 4, wobei das doppelbrechende Bauteil konfiguriert wird, indem eine Vielzahl von Bauteilen mit unterschiedlicher Kristallachsenrichtung entlang einer Einfallsrichtung des Lichts geschichtet wird.
Relativpositions-Detektionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Korrekturprisma an einer beliebigen einer Eingangsstufenseite oder Ausgangsstufenseite des doppelbrechenden Bauteils bezüglich der Lichtquelle vorgesehen ist.
Relativpositions-Detektionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition entlang der Messrichtung angeordnet sind und vorgesehen ist, einen Betrag einer Wellenlängenvariation basierend auf einer Differenz eines Phasenfluktuationsbetrags eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts, das durch jeden Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition detektiert wird, zu schätzen und zu korrigieren.
Relativpositions-Detektionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine polarisierende Platte ferner zwischen der Lichtquelle und dem doppelbrechenden Bauteil angeordnet ist.
Relativpositions-Detektionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Azimutkorrektur-Einheit zum Durchführen einer Azimutkorrektur an dem reflektierten Licht ferner beim Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition angeordnet ist.
Verschiebungs-Detektionsvorrichtung, um eine Verschiebung in einer Messrichtung eines zu messenden Objekts optisch zu detektieren, umfassend: eine Lichtquelle, um Licht einzustrahlen; einen lichtquellenseitigen Strahlteiler, um das Licht von der Lichtquelle in zwei zu teilen; ein Relativpositions-Detektionsmittel, um eine Relativposition der Verschiebung des zu messenden Objekts in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands eines reflektierten Lichts bezüglich eines durch den lichtwellenseitigen Strahlteiler geteilten Lichts zu detektieren; ein Absolutpositions-Detektionsmittel, um eine Absolutposition der Verschiebung des zu messenden Objekts in der Messrichtung basierend auf einer Änderung einer Lichtmenge eines reflektierten Lichts bezüglich eines anderen, durch den lichtquellenseitigen Strahlteiler geteilten Lichts zu detektieren, wobei das Absolutpositions-Detektionsmittel und das Relativpositions-Detektionsmittel bezüglich der Messrichtung des zu messenden Objekts auf einer Linie angeordnet sind.
Verschiebungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Relativpositions-Detektionsmittel umfasst: ein Ziel, das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und mit Licht von der Lichtquelle bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition, um Licht zu empfangen, indem ein Polarisationszustand eines reflektierten Lichts am Ziel bezüglich des Lichts geändert wird; und eine Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit, um eine Relativpositionsinformation basierend auf der Verschiebung des Ziels in der Messrichtung basierend auf einer Änderung eines Polarisationszustands des beim Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition empfangenen reflektierten Lichts auszugeben, wobei das Ziel umfasst: einen Reflektor, der auf dem zu messenden Objekt montiert ist; und ein doppelbrechendes Bauteil, das auf dem Reflektor vorgesehen ist und eine Dicke aufweist, die sich von einer Spitze zu einem Basisende entlang der Messrichtung ändert, wobei das doppelbrechende Bauteil so konfiguriert ist, dass eine Spitzenseite einer unteren Oberfläche bezüglich des Reflektors mit einer Basisendseite der unteren Oberfläche als Zentrum drehbar ist.
Verschiebungs-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Lichtempfänger zur Detektion einer Relativposition eine Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts einhergehend mit einer Bewegung des Ziels in der Messrichtung detektiert; und wobei die Relativpositionsinformations-Ausgabeeinheit die Relativpositionsinformation des Ziels basierend auf einem durch eine fotoelektrische Umwandlung einer Änderung eines Polarisationszustands des reflektierten Lichts erhaltenen Signal ausgibt.
Verschiebungs-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Absolutpositions-Detektionsmittel umfasst: ein Prisma, das auf dem zu messenden Objekt montiert ist und über einen Spiegel mit dem Licht von der Lichtquelle bestrahlt wird; einen Lichtempfänger zur Detektion einer Absolutposition, um Licht zu empfangen, indem eine Lichtmenge eines reflektierten Lichts am Prisma bezüglich des Lichts geändert wird; und eine Absolutpositionsinformations-Ausgabeeinheit, um eine Absolutpositionsinformation basierend auf einer Verschiebung des Prismas in der Messrichtung basierend auf einer Änderung der Lichtmenge des beim Lichtempfänger zur Detektion eines Absolutposition empfangenen reflektierten Lichts auszugeben, wobei an einer Seite der oberen Oberfläche des Prismas ein Film mit variabler Reflexion, in welchem eine Reflexionscharakteristik entlang der Messrichtung variiert, vorgesehen ist.