JP2006010645A - Detector and stage device - Google Patents

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JP2006010645A JP2004191828A JP2004191828A JP2006010645A JP 2006010645 A JP2006010645 A JP 2006010645A JP 2004191828 A JP2004191828 A JP 2004191828A JP 2004191828 A JP2004191828 A JP 2004191828A JP 2006010645 A JP2006010645 A JP 2006010645A
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Isamu Ko
偉 高
Satoshi Kiyono
慧 清野
Yoji Watanabe
陽司 渡邉
Yoshiyuki Tomita
良幸 冨田
Kenichi Makino
健一 牧野
Toru Hirata
徹 平田
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Tohoku University NUC
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Tohoku University NUC
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately detect the position and inclination of a stage that is moved precisely. <P>SOLUTION: A transmission type detector 22 comprises: a transparent body angle lattice 30 that is extended and formed in the travel direction of a first stage 14; a transparent substrate 32 for retaining the transparent body angle lattice 30 vertically; an emission section 34 for emitting a plurality of parallel light toward the transparent body angle lattice 30; and a light reception section 36 for receiving a plurality of parallel light transmitted through the transparent body angle lattice 30. Nine photodiodes are arranged at the light reception section 36, and detect the light reception intensity distribution of the plurality of parallel light transmitted through the transparent body angle lattice 30. Then, the position and inclination angle of the light reception section 34 to the transparent body angle lattice 30 at the fixed side can be detected from a change in the intensity distribution detected by the light reception section 36. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、検出装置及びステージ装置に係り、特に高精度に可動されるステージの状態の検出を行う検出装置及びステージ装置に関する。   The present invention relates to a detection apparatus and a stage apparatus, and more particularly to a detection apparatus and a stage apparatus that detect the state of a stage that is movable with high accuracy.

IT技術の根幹である半導体デバイスの高集積化、低価格化に対応し、半導体デバイスを製造する半導体露光装置に対する高生産性、高精度化、高速化等の要求が高まっている。半導体露光装置のキーコンポーネントであるステージには10nm前後の精度と数百mmの移動範囲を持った高速多自由度ステージ装置が要求される。そのため、ステージの多自由度位置と姿勢を精密に計測し、その結果をフィードバックしてステージの位置決め制御を行うことが必要となる。   In response to the high integration and low price of semiconductor devices that are the foundation of IT technology, there is an increasing demand for high productivity, high accuracy, high speed, and the like for semiconductor exposure apparatuses that manufacture semiconductor devices. A stage, which is a key component of a semiconductor exposure apparatus, requires a high-speed multi-degree-of-freedom stage apparatus having an accuracy of around 10 nm and a moving range of several hundred mm. Therefore, it is necessary to precisely measure the multi-degree-of-freedom position and orientation of the stage and feed back the result to control the positioning of the stage.

従来の位置決め装置の位置計測方式としては、光学式リニアエンコーダ、レーザ測長機やオートコリメータ等が一般的に用いられてきた。これらは、基本的には1次元の長さあるいは姿勢測定を基本原理としており、その複数軸の組み合わせによって、位置あるいは姿勢の計測を行っていた。   As a position measuring method of a conventional positioning device, an optical linear encoder, a laser length measuring device, an autocollimator, or the like has been generally used. These are basically based on the one-dimensional length or posture measurement, and the position or posture is measured by a combination of a plurality of axes.

また、高精度計測に用いられているレーザ干渉計では、レーザ光を用いてステージ(位置決め対象物)の位置の計測を行うため、ステージの置かれている装置内の空気の揺らぎなどによって、計測の値精度が低下するという問題があった。また、レーザ干渉計では、光学部品をステージの外部(周囲)にしか置くことができず、且つ空気の揺らぎを防止するために各方向毎にレーザの光路となる金属パイプを装架する必要があるため、ステージ装置全体が大型化し、構成が煩雑となるなどの問題点がある。   Laser interferometers used for high-accuracy measurement measure the position of the stage (positioning object) using laser light, so measurement is based on air fluctuations in the device where the stage is placed. There was a problem that the accuracy of the value of was lowered. In addition, in a laser interferometer, optical components can be placed only outside (around) the stage, and it is necessary to mount a metal pipe serving as a laser optical path in each direction in order to prevent air fluctuations. Therefore, there is a problem that the entire stage apparatus becomes large and the configuration becomes complicated.

さらに、ステージがZ軸回りに回転した場合には、ステージからの反射光が干渉計の受光部から外れて、XY方向の位置検出ができなくなるという問題があった。このような問題を解決する検出装置として、基準格子(角度格子)にレーザ光を照射し、基準格子により反射される反射光をXY方向の2次元角度を2次元角度センサにより検出するものがある(例えば、特許文献1参照)。   Further, when the stage rotates about the Z axis, there is a problem that the reflected light from the stage is detached from the light receiving portion of the interferometer, and the position in the XY directions cannot be detected. As a detection device that solves such a problem, there is a detection device that irradiates a reference grating (angle grating) with laser light and detects reflected light reflected by the reference grating with a two-dimensional angle sensor in the XY directions. (For example, refer to Patent Document 1).

図1は、基準格子と2次元角度センサとを有した検出装置の概略図である。図1に示すように、従来の検出装置300では、1本の2次元角度センサ290の出力変化によりXY方向の位置の検出を行っていた。   FIG. 1 is a schematic diagram of a detection apparatus having a reference grating and a two-dimensional angle sensor. As shown in FIG. 1, the conventional detection apparatus 300 detects the position in the XY directions based on the output change of one two-dimensional angle sensor 290.

ここでの2次元角度センサ290は、基準格子の面の傾斜を検出するものであり、これにより基準格子の面の法線方向の変化を見ることができ、2次元角度センサ290により、XY方向(2方向)の傾斜または法線変化を検出することができる。基準格子320は、平面上の直交する2方向(X方向及びY方向)に既知の関数で変化する山と谷とが集合してなるもののことであり、基準格子320の形状には、正弦波が用いられる。   Here, the two-dimensional angle sensor 290 detects the inclination of the surface of the reference grating, whereby the change in the normal direction of the surface of the reference grating can be seen, and the two-dimensional angle sensor 290 can detect the change in the XY direction. A tilt or normal change in (two directions) can be detected. The reference grating 320 is a collection of peaks and valleys that change with a known function in two orthogonal directions (X direction and Y direction) on a plane. The shape of the reference grating 320 includes a sine wave. Is used.

次に、図2を参照して、図1に示した2次元角度センサ290について説明する。図2は、2次元角度センサを示した図である。2次元角度センサ290は、オートコリメーション法に基づいた幾何光学的なセンサである。   Next, the two-dimensional angle sensor 290 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a two-dimensional angle sensor. The two-dimensional angle sensor 290 is a geometric optical sensor based on an autocollimation method.

図2に示すように、レーザ光源301から照射された1本のレーザ光310は、偏光ビームスプリッタ302と1/4波長板303を通過し、基準格子320の表面に入射する。基準格子320の表面で反射されたレーザ光312は偏光ビームスプリッタ302で反射され、レーザ光312はオートコリメータ305に入射する。オートコリメータ305は、対物レンズ306とスポット位置を検出する検出器307とを含んだ構成とされている。
特許2960013号公報
As shown in FIG. 2, one laser beam 310 emitted from the laser light source 301 passes through the polarization beam splitter 302 and the quarter wavelength plate 303 and enters the surface of the reference grating 320. The laser beam 312 reflected by the surface of the reference grating 320 is reflected by the polarization beam splitter 302, and the laser beam 312 enters the autocollimator 305. The autocollimator 305 includes an objective lens 306 and a detector 307 that detects a spot position.
Japanese Patent No. 2960013

しかしながら、上記オートコリメーション法では、対物レンズ306の焦点にある標板(一般には十字線)を無限遠に結像させて、対物レンズ306の先にある平面鏡によって反射された平行光を標板面に共役な位置に結像させ、結像した十字線の面内の変位から平面鏡の微小な角度の変位を読み取るため、オートコリメータ305等の高価でかつ複雑な部品を必要とし、検出装置300のコストが高くなってしまうという問題があった。   However, in the above autocollimation method, a standard plate (generally a cross line) at the focal point of the objective lens 306 is imaged at infinity, and parallel light reflected by a plane mirror at the tip of the objective lens 306 is converted into a standard plate surface. In order to read the displacement at a minute angle of the plane mirror from the displacement in the plane of the imaged cross line, an expensive and complicated part such as the autocollimator 305 is required. There was a problem that the cost would be high.

また、高分解能の位置検出を行うため、基準格子320とマルチスポットとの周期が短くなるにつれ、光の干渉と回折によって幾何光学的な原理が成立しない可能性があるため、精度良く検出することが困難であるという問題があった。また、2次元の変位(X方向及びY方向の変位)と3つの姿勢変化(X軸に対する回転方向、Y軸に対する回転方向、及びZ軸に対する回転方向)との5つの自由度の状態について検出するためには、3つの2次元角度センサ300が必要となり、センサ間の調整が難しいという問題があった。   In addition, since high-resolution position detection is performed, the geometrical optical principle may not be established due to light interference and diffraction as the period between the reference grating 320 and the multi-spot becomes shorter. There was a problem that was difficult. Also, detection is performed for five degrees of freedom, ie, two-dimensional displacement (displacement in the X direction and Y direction) and three posture changes (rotation direction with respect to the X axis, rotation direction with respect to the Y axis, and rotation direction with respect to the Z axis). In order to do so, three two-dimensional angle sensors 300 are required, and there is a problem that adjustment between the sensors is difficult.

さらに、ステージ装置において、例えば、ステージを移動させる際に位置検出しながらステージの両側に設けられた一対のリニアモータを駆動制御しているが、その際の位置検出精度を高めるために上記検出装置300をよりコンパクトな構成としてリニアモータの移動量や傾きを正確に検出する必要がある。   Further, in the stage apparatus, for example, the pair of linear motors provided on both sides of the stage are driven and controlled while detecting the position when the stage is moved. It is necessary to accurately detect the movement amount and inclination of the linear motor by making 300 a more compact configuration.

また、上記以外の検出装置としては、ステージの移動方向に延在形成されたスリット板に対して移動する光センサによってスリット数を光学的に検出してステージの位置を検出するリニアスケールがある。このリニアスケールでは、移動方向の変位量を検出することができるものの、その他の方向(例えば、上下方向やステージの各軸回りの傾き角度)を検出することができない。   As a detection device other than the above, there is a linear scale that optically detects the number of slits by an optical sensor that moves with respect to a slit plate that is formed to extend in the moving direction of the stage, thereby detecting the position of the stage. Although this linear scale can detect the amount of displacement in the moving direction, it cannot detect other directions (for example, the vertical direction or the tilt angle around each axis of the stage).

そのため、従来のステージ装置では、ステージの両側に一対のリニアスケールを配置し、一対のリニアスケールによって検出された検出信号の差からステージのヨーイング角を演算していた。そして、ステージのその他の方向の傾き角度を検出せずにステージの移動を制御していた。   Therefore, in the conventional stage apparatus, a pair of linear scales are arranged on both sides of the stage, and the yawing angle of the stage is calculated from the difference between detection signals detected by the pair of linear scales. Then, the movement of the stage is controlled without detecting the tilt angle in the other direction of the stage.

従って、従来のステージ装置において、リニアスケールから得られる移動方向の位置(移動量)に基づいてリニアモータを駆動制御しているため、ステージを移動させる際の状態を正確に把握しておらず、ステージが傾いた場合にどの方向にどの位傾いたかを正確に検出できなかった。   Therefore, in the conventional stage apparatus, since the linear motor is driven and controlled based on the position (movement amount) in the movement direction obtained from the linear scale, the state when moving the stage is not accurately grasped, When the stage was tilted, it was impossible to accurately detect in which direction and how much it was tilted.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの変位及び傾き角度の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and it is possible to easily detect the displacement and the tilt angle of the stage and improve the detection accuracy by using a reference grid having a shape that is easy to manufacture. It is an object of the present invention to provide a detection device and a stage device that can perform the same.

本発明は上記課題を解決するため、以下のような特徴を有する。   In order to solve the above problems, the present invention has the following features.

請求項1記載の発明は、表面に所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記基準格子を透過した前記複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、を備えたことを特徴とする。   The invention according to claim 1 is provided with a reference grating having a detection surface in which concave and convex curved surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction on the surface, and movable relative to the reference grating. A light emitting unit that emits a plurality of parallel lights from a vertical direction of the reference grating toward the detection surface, and the plurality of parallel light beams that are provided so as to move integrally with the light emitting unit and that have passed through the reference grating. And a light receiving unit having a plurality of light receiving elements for receiving light.

請求項2記載の発明は、表面に所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記基準格子の裏面に形成された反射面と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、を備えたことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a reference grating having a detection surface in which concave and convex surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction on the surface, and a reflection formed on the back surface of the reference grating. A surface, a light emitting unit that is movable with respect to the reference grating and emits a plurality of parallel lights from a vertical direction of the reference grating toward the detection surface, and moves integrally with the light emitting unit And a light receiving unit having a plurality of light receiving elements that receive a plurality of parallel lights reflected from the reflecting surface.

請求項3記載の発明は、表面に所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記検出面に形成された反射面と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、を備えたことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a reference grating having a detection surface in which concave and convex surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction on a surface, and a reflection surface formed on the detection surface; A light emitting unit that is movable with respect to the reference grating and emits a plurality of parallel lights from a vertical direction of the reference grating toward the detection surface, and is provided so as to move integrally with the light emitting unit. And a light receiving section having a plurality of light receiving elements for receiving a plurality of parallel lights reflected from the reflecting surface.

請求項4記載の発明は、前記発光部が、光源と、該光源からの光を複数の平行光に分光する分光手段と、を有することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, the light emitting unit includes a light source and a spectroscopic unit that splits light from the light source into a plurality of parallel lights.

請求項5記載の発明は、前記分光手段が、所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された入射面を有することを特徴とする。   The invention according to claim 5 is characterized in that the spectroscopic means has an incident surface in which concave curved surfaces having a predetermined radius of curvature and convex curved surfaces are alternately formed in a two-dimensional direction.

請求項6記載の発明は、前記受光部が、前記複数の平行光よりも多い数の受光素子を有しており、一つの光に対して少なくとも1以上の受光素子を配したことを特徴とする。   The invention according to claim 6 is characterized in that the light receiving section has a larger number of light receiving elements than the plurality of parallel lights, and at least one light receiving element is arranged for one light. To do.

請求項7記載の発明は、前記受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度に応じた検出信号が入力され、各光強度分布の変化から前記基準格子に対する前記発光部の相対的な移動量を演算する演算手段を有することを特徴とする。   According to the seventh aspect of the present invention, a detection signal corresponding to the light intensity of the plurality of parallel lights received by the light receiving element is input, and the light emitting unit relative to the reference grating is changed from a change in each light intensity distribution. It has the calculating means which calculates a movement amount, It is characterized by the above-mentioned.

請求項8記載の発明は、前記演算手段が、前記複数の受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度分布の変化に基づいて前記検出面に対する前記発光部及び受光部の相対的な傾き角度を演算することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, the calculating means is configured to make the light emitting unit and the light receiving unit relative to the detection surface based on a change in light intensity distribution of the plurality of parallel lights received by the plurality of light receiving elements. The tilt angle is calculated.

請求項9記載の発明は、前記基準格子が、透明基板と、該透明基板の表側に設けられた第1の基準格子と、前記第1の基準格子と180度の向きとなるように、前記透明基板の裏側に設けられた第2の基準格子と、を備えたことを特徴とする。   The invention according to claim 9 is characterized in that the reference lattice is oriented at 180 degrees with respect to the transparent substrate, the first reference lattice provided on the front side of the transparent substrate, and the first reference lattice. And a second reference grating provided on the back side of the transparent substrate.

請求項10記載の発明は、ベースと、該ベースに対して移動可能に設けられたステージと、前記ステージに駆動力を付与する駆動手段と、前記ステージの移動を検出する前記請求項1乃至9の何れかに記載の検出装置と、前記検出装置の検出結果に応じて前記ステージが所定速度で移動するように前記駆動手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a base, a stage movably provided with respect to the base, a driving means for applying a driving force to the stage, and the movement of the stage. And a control means for controlling the drive means so that the stage moves at a predetermined speed in accordance with a detection result of the detection apparatus.

請求項11記載の発明は、前記駆動手段が、一対のリニアモータであり、前記制御手段が、前記一対のリニアモータを並進駆動することを特徴とする。   The invention according to claim 11 is characterized in that the driving means is a pair of linear motors, and the control means drives the pair of linear motors in translation.

請求項12記載の発明は、前記請求項1乃至9の何れかに記載の検出装置を前記リニアモータの近傍に設けたことを特徴とする。   A twelfth aspect of the invention is characterized in that the detection device according to any one of the first to ninth aspects is provided in the vicinity of the linear motor.

本発明によれば、一つの発光部と受光部との間に基準格子を配置するといった構成であるので、構成の簡素化及びコンパクト化を図ることが可能になり、且つ基準格子に対する発光部、受光部の相対位置を複数の平行光の受光強度分布の変化から基準格子の検出面に対応する2方向及び基準格子に対する各方向の傾き角度を正確に検出することができる。また、発光部及び受光部を基準格子の反射面に対向させ、反射面から反射した複数の平行光を受光する構成であるので、構成の簡素化及びコンパクト化を図ることが可能になり、且つ基準格子に対する発光部、受光部の相対位置を複数の平行光の受光強度分布の変化から基準格子の検出面に対応する2方向及び基準格子に対する各方向の傾き角度を正確に検出することができる。   According to the present invention, since the reference grating is arranged between one light emitting unit and the light receiving unit, the configuration can be simplified and compact, and the light emitting unit with respect to the reference grating, With respect to the relative position of the light receiving unit, it is possible to accurately detect the two directions corresponding to the detection surface of the reference grating and the inclination angle in each direction with respect to the reference grating from the change in the received light intensity distribution of a plurality of parallel lights. In addition, since the light emitting unit and the light receiving unit are configured to face the reflecting surface of the reference grating and receive a plurality of parallel lights reflected from the reflecting surface, the configuration can be simplified and made compact, and The relative positions of the light emitting unit and the light receiving unit with respect to the reference grating can be accurately detected in two directions corresponding to the detection surface of the reference grating and the inclination angle in each direction with respect to the reference grating from the change in the received light intensity distribution of a plurality of parallel lights. .

また、本発明の検出装置を用いたステージ装置では、ステージの移動を複数の平行光を発光する発光部と、基準格子を透過または反射した複数の平行光を受光する受光部とにより、基準格子の検出面に対応するステージの2方向の位置検出を正確に行えると共に、各方向のステージの傾き角度を同時に検出することができ、ステージの傾きを修正するようにステージを駆動制御することが可能になる。   Further, in the stage apparatus using the detection apparatus of the present invention, the stage is moved by a light emitting unit that emits a plurality of parallel lights and a light receiving unit that receives a plurality of parallel lights transmitted or reflected by the reference grating. It is possible to accurately detect the position of the stage in two directions corresponding to the detection surface of the stage, simultaneously detect the tilt angle of the stage in each direction, and control the stage to correct the tilt of the stage. become.

以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図3は本発明になる検出装置の実施例1が適用されたステージ装置の主要構成要素を示す概念図である。尚、本実施例では、後述する透過型検出装置22の構成及び作動原理を説明する際の便宜上、以下では透明体角度格子30に対して光を照射する方向をZ方向としており、図3においては左右方向をZ方向として説明する。
図3に示されるように、ステージ装置10は、ベース12と、ベース12に対して移動可能に設けられた第1ステージ14と、第1ステージ14に搭載され左右方向に移動可能に設けられた第2ステージ16と、第1ステージ14の両端を並進駆動する一対のリニアモータ(駆動手段)18,20と、リニアモータ18の近傍に配置された透過型検出装置22と、第2ステージ16を駆動するリニアモータ24と、リニアモータ24と平行に配置されたリニアスケール26とを有する。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the main components of a stage apparatus to which the first embodiment of the detection apparatus according to the present invention is applied. In this embodiment, for convenience in explaining the configuration and operating principle of a transmission type detection device 22 to be described later, the direction in which light is applied to the transparent body angle grating 30 is hereinafter referred to as the Z direction. Will be described with the left-right direction as the Z direction.
As shown in FIG. 3, the stage apparatus 10 is provided with a base 12, a first stage 14 provided so as to be movable with respect to the base 12, and mounted on the first stage 14 so as to be movable in the left-right direction. The second stage 16, a pair of linear motors (drive means) 18, 20 that translate and drive both ends of the first stage 14, a transmission type detection device 22 disposed in the vicinity of the linear motor 18, and the second stage 16 The linear motor 24 to drive and the linear scale 26 arrange | positioned in parallel with the linear motor 24 are provided.

透過型検出装置22は、本発明の要部を構成しており、後述するように第1ステージ14の移動位置を主検出対象としており、移動方向(X方向)以外の方向に対する運動誤差要因となる上下方向(Y方向)、各軸回りの角度θx、θy、θzも同時に検出することができるように構成されている。   The transmission type detection device 22 constitutes a main part of the present invention, and has a moving position of the first stage 14 as a main detection target as will be described later, and a motion error factor for directions other than the moving direction (X direction). The vertical direction (Y direction) and the angles θx, θy, θz around each axis can be detected simultaneously.

透過型検出装置22及びXリニアスケール26により検出された検出信号は、座標変換器27により座標変換されて制御装置28に入力される。制御装置28は、予め設定されて演算式に基づいてリニアモータ18,20,24へ供給される制御量を演算する演算手段(制御プログラム)を有し、演算により得られた制御信号を各サーボアンプ29a〜29cに出力する。そして、各サーボアンプ29a〜29cで増幅された駆動信号は、リニアモータ18,20,24へ供給されてリニアモータ18,20,24が駆動される。   The detection signals detected by the transmission type detection device 22 and the X linear scale 26 are coordinate-converted by a coordinate converter 27 and input to the control device 28. The control device 28 has calculation means (control program) that calculates control amounts that are set in advance and are supplied to the linear motors 18, 20, and 24 based on calculation formulas. Output to amplifiers 29a-29c. The drive signals amplified by the servo amplifiers 29a to 29c are supplied to the linear motors 18, 20, and 24, and the linear motors 18, 20, and 24 are driven.

また、透過型検出装置22では、後述するように第1ステージ14のX,Y方向の変位及びθz方向の傾き角度を検出することができる。そのため、制御装置28では、透過型検出装置22によって検出された各方向の検出データに基づいて第1ステージ14が傾かないようにリニアモータ18,20を高精度に並進駆動することが可能になる。   Further, the transmission type detection device 22 can detect the displacement of the first stage 14 in the X and Y directions and the tilt angle in the θz direction, as will be described later. Therefore, in the control device 28, the linear motors 18 and 20 can be translated and translated with high accuracy so that the first stage 14 does not tilt based on the detection data in each direction detected by the transmission type detection device 22. .

ここで、透過型サーフェスエンコーダとして用いられる透過型検出装置22の構成について図4を参照して説明する。
図4に示されるように、透過型検出装置22は、第1ステージ14の移動方向に延在形成された透明体角度格子(基準格子)30と、透明体角度格子30を垂直状態に保持する透明基板32と、透明体角度格子30に向けて複数の平行光を発光する発光部34と、透明体角度格子30を透過した複数の平行光を受光する受光部36とを有する。
Here, the configuration of the transmission type detection device 22 used as the transmission type surface encoder will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4, the transmission-type detection device 22 holds the transparent body angle grating (reference grating) 30 extending in the moving direction of the first stage 14 and the transparent body angle grating 30 in a vertical state. It has a transparent substrate 32, a light emitting section 34 that emits a plurality of parallel lights toward the transparent body angle grating 30, and a light receiving section 36 that receives the plurality of parallel lights that have passed through the transparent body angle grating 30.

透明基板32は、透明なガラス板などからなり、固定側となるベース12に垂直状態に固定されている。そして、透明基板32の表面には、透明体角度格子30が固着されている。透明体角度格子30及び透明基板32は、透明材によって形成されているため、発光部34から照射された光が透過する性質を有している。   The transparent substrate 32 is made of a transparent glass plate or the like, and is fixed to the base 12 on the fixed side in a vertical state. A transparent angle grating 30 is fixed to the surface of the transparent substrate 32. Since the transparent body angle grating 30 and the transparent substrate 32 are formed of a transparent material, the transparent body angle grating 30 and the transparent substrate 32 have a property of transmitting light emitted from the light emitting unit 34.

また、透明体角度格子30は、図5に拡大して示すように表面に所定の曲率半径を有する正弦波形状の輪郭右で立体的な凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面30aが形成されている。この検出面30aの凹凸形状は、例えば、金型を押し付けることにより微細な凹曲面、凸曲面を均一、且つ高精度に形成することが可能になる。   In addition, as shown in FIG. 5 in an enlarged manner, the transparent angle grating 30 has a three-dimensional concave curved surface and a convex curved surface alternately formed in a two-dimensional direction on the right side of a sinusoidal contour having a predetermined radius of curvature on the surface. The detection surface 30a thus formed is formed. With respect to the uneven shape of the detection surface 30a, for example, a fine concave curved surface and a convex curved surface can be formed uniformly and with high accuracy by pressing a mold.

発光部34は、透明体角度格子30の表面の鉛直方向に対向するように設けられている。また、受光部36は、透明体角度格子30の裏面の鉛直方向に対向するように設けられている。そして、発光部34及び受光部36は、可動側となる第1ステージ14に固定されたブラケット(図示せず)により一体的に支持されており、且つ透明体角度格子30及び透明基板32を介して正対するように保持されている。   The light emitting unit 34 is provided so as to face the vertical direction of the surface of the transparent body angle grating 30. Further, the light receiving unit 36 is provided so as to face the vertical direction of the back surface of the transparent body angle grating 30. The light emitting unit 34 and the light receiving unit 36 are integrally supported by a bracket (not shown) fixed to the first stage 14 on the movable side, and through the transparent body angle grating 30 and the transparent substrate 32. Are held to face each other.

そのため、発光部34及び受光部36は、第1ステージ14と共にY方向に駆動されると、透明体角度格子30及び透明基板32に対して移動することになる。その際、発光部34から発光された複数の平行光が検出面30aの凹曲面と凸曲面によって屈折されて透過して受光部36に受光される。受光部36には、後述するように発光部34からの複数の平行光を受光する複数の受光素子が所定間隔で設けられている。そして、発光部34からの光が検出面30aの凹曲面と凸曲面とを透過する位置によって屈折率が変化して受光部36での各光の受光強度分布の変化から透明体角度格子30に対する発光部34及び受光部36の移動量を求めることが可能になる。   Therefore, when the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36 are driven in the Y direction together with the first stage 14, the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36 move with respect to the transparent body angle grating 30 and the transparent substrate 32. At this time, a plurality of parallel lights emitted from the light emitting unit 34 are refracted and transmitted by the concave curved surface and the convex curved surface of the detection surface 30 a and received by the light receiving unit 36. As will be described later, the light receiving unit 36 is provided with a plurality of light receiving elements that receive a plurality of parallel lights from the light emitting unit 34 at predetermined intervals. Then, the refractive index changes depending on the position where the light from the light emitting unit 34 passes through the concave and convex curved surfaces of the detection surface 30 a, and the change in the received light intensity distribution of each light at the light receiving unit 36 causes the transparent angle grating 30 to It is possible to determine the amount of movement of the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36.

図6は図4において透過型検出装置22の構成をX方向からみた構成図である。
図6に示されるように、発光部34は、例えば、レーザダイオードからなる光源34aからの光を複数本(例えば、n=9本)の平行光に分光しており、光源34aの出射面には、分光手段としてのグリッドパターンを有する正方形の分光板38が取り付けられている。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the transmission type detection device 22 in FIG. 4 as viewed from the X direction.
As shown in FIG. 6, the light emitting unit 34 divides the light from the light source 34 a made of, for example, a laser diode into a plurality of (for example, n = 9) parallel lights, and the light is emitted to the emission surface of the light source 34 a. A square spectroscopic plate 38 having a grid pattern as a spectroscopic means is attached.

図7は分光板38のグリットパターンの一例を拡大して示す図である。図7に示されるように、分光板38は、X方向及びY方向の2次元平面に9つの微小開口38A〜38Iが所定間隔Lで格子状に形成されている。分光板38は、光源34aから照射された光40を微小開口38A〜38Iにより、9つの光42〜42に分光するためのものである。 FIG. 7 is an enlarged view showing an example of the grid pattern of the spectral plate 38. As shown in FIG. 7, the spectroscopic plate 38 has nine minute openings 38 </ b> A to 38 </ b> I formed in a lattice shape at a predetermined interval L F on a two-dimensional plane in the X direction and the Y direction. The spectroscopic plate 38 is for splitting the light 40 emitted from the light source 34a into nine lights 42 1 to 42 9 through the minute openings 38A to 38I.

尚、図7では、分光板38に9つの微小開口38A〜38Iを設けた構成を例に挙げて説明したが、微小開口の配置数及び間隔については、任意に設定することができ、例えば、微小開口をX方向及びY方向に10×10個配置することも可能である。従って、分光板38によって分光される光の数(換言すると、受光部36に照射されるスポット数)は、微小開口の配置数を選択することにより任意の数に設定することができる。   In FIG. 7, the configuration in which the spectroscopic plate 38 is provided with nine micro openings 38 </ b> A to 38 </ b> I has been described as an example. However, the number and interval of the micro openings can be arbitrarily set, for example, It is also possible to arrange 10 × 10 minute openings in the X direction and the Y direction. Accordingly, the number of light beams split by the spectroscopic plate 38 (in other words, the number of spots irradiated on the light receiving unit 36) can be set to an arbitrary number by selecting the number of micro apertures.

微小開口38A〜38Iは、検出面30aに形成された凹曲面及び凸曲面の配設ピッチFと同一寸法となるように形成されている。また、分光板38の微小開口38A〜38Iを通過した9本の光42〜42は、平行光となって透明体角度格子30の検出面30aに照射されるため、透明体角度格子30の配設ピッチFと等間隔(または開口部38A〜38Iを通過する際の回折により配設ピッチFの整数倍の間隔)でマルチスポットが生成される。 The minute openings 38A to 38I are formed to have the same size as the arrangement pitch F of the concave curved surface and the convex curved surface formed on the detection surface 30a. Further, since the nine lights 42 1 to 42 9 that have passed through the minute openings 38A to 38I of the spectroscopic plate 38 become parallel light and are irradiated onto the detection surface 30a of the transparent body angle grating 30, the transparent body angle grating 30 is used. Multi-spots are generated at equal intervals with the arrangement pitch F of (or an interval that is an integral multiple of the arrangement pitch F by diffraction when passing through the openings 38A to 38I).

また、透明体角度格子30を透過した9本の光42〜42は、受光部36の直前に配置された対物レンズ44により受光部36の受光面36aに集光される。 The nine lights 42 1 to 42 9 that have passed through the transparent angle grating 30 are condensed on the light receiving surface 36 a of the light receiving unit 36 by the objective lens 44 disposed immediately before the light receiving unit 36.

図8に示されるように、受光部36の受光面36aには、透明体角度格子30を透過した9本の光42〜42を受光するフォトダイオード51〜59が設けられている。 As shown in FIG. 8, photodiodes 51 to 59 that receive nine lights 42 1 to 42 9 transmitted through the transparent angle grating 30 are provided on the light receiving surface 36 a of the light receiving unit 36.

次に、図8を参照して、受光部36について説明する。図8中に破線で示した丸印は、それぞれのフォトダイオード51〜59に到達した光42〜42のマルチスポットを示している。受光部36の受光面36aに設けられたフォトダイオード51〜59は、光42〜42の受光強度に応じた検出信号を出力する。フォトダイオード51〜59のうち受光面36aの四隅に配置されたフォトダイオード51,53,57,59は、一対の受光素子を組み合わせた2分割PDからなり、受光面36aの中央に配置されたフォトダイオード55は4個の受光素子を組み合わせた4分割PDからなる。 Next, the light receiving unit 36 will be described with reference to FIG. Circle shown by a broken line in FIG. 8 shows a multi-spot light 42 1-42 9 reaching the respective photodiodes 51-59. Photodiode 51 to 59 provided on the light receiving surface 36a of the light receiving portion 36 outputs a detection signal corresponding to the received light intensity of the light 42 1-42 9. Of the photodiodes 51 to 59, the photodiodes 51, 53, 57, 59 arranged at the four corners of the light receiving surface 36a are made of a two-part PD combining a pair of light receiving elements, and are arranged at the center of the light receiving surface 36a. The diode 55 is composed of a quadrant PD in which four light receiving elements are combined.

受光面36aの左上に配置された2分割PD51は、三角形状に形成された受光素子(51a,51b)が一組となって光42の光強度を検出し、右上の角部に配置された2分割PD53は三角形状に形成された受光素子(53a,53b)が一組となって光42の光強度を検出し、左下の角部に配置された2分割PD57は三角形状に形成された受光素子(57a,57b)が一組となって光42の光強度を検出し、右下の角部に配置された2分割PD59は三角形状に形成された受光素子(59a,59b)が一組となって光42の光強度を検出する。 2 divided PD51 arranged in the upper left of the light receiving surface 36a is a light receiving element (51a, 51b) formed in a triangular shape is a pair to detect the light intensity of the light 42 1 is disposed on the upper right corner two split PD53 detects the light intensity of the light 42 3 light receiving elements (53a, 53b) which is formed in a triangular shape becomes a pair, bisected PD57 arranged in the lower left corner is formed in a triangular shape light-receiving elements (57a, 57 b) detects the light intensity of the light 42 7 becomes a pair, the light receiving element divided into two PD59 arranged in the corners of the lower right, which is formed in a triangular shape (59a, 59b ) detects the light intensity of the light 42 9 become a pair.

また、受光面36aの中央に配置された4分割PD55は、4個の受光素子55a〜55dがX方向及びY方向に2列ずつとなるように並設されており、4個の受光素子55a〜55dにより中央に照射される光42の光強度を検出する。また、受光面36aの4辺の中間に配置された、フォトダイオード52,54,56,58は、夫々光42,42,42,42の光強度を検出する。本実施例では、上記9個のフォトダイオード51〜59を有する受光部36によって検出された光42〜42の強度分布の変化により、第1ステージ14の位置及び傾き角度の検出を行う。 Further, the four-divided PD 55 arranged at the center of the light receiving surface 36a is arranged in parallel so that four light receiving elements 55a to 55d are arranged in two rows in the X direction and the Y direction, and the four light receiving elements 55a. detecting the light intensity of the light 42 5 irradiated to the center by ~55D. Further, it disposed in the middle of the four sides of the light receiving surface 36a, the photodiode 52, 54, 56, 58 respectively light 42 2, 42 4, 42 6, 42 for detecting the light intensity of 8. In this embodiment, the change in the intensity distribution of the light 42 1-42 9 detected by the light receiving unit 36 having the above-described nine photodiodes 51-59 performs position and inclination angle of the detection of the first stage 14.

続いて、透過型検出装置22のシミュレーション結果について説明する。
透明体角度格子30を用いたモデルでは、透明体角度格子30の検出面30aの表面形状は式(1)に示すように2次元に正弦波を重ね合わせた凹曲面と凸曲面となっている。
Next, a simulation result of the transmission type detection device 22 will be described.
In the model using the transparent body angle grating 30, the surface shape of the detection surface 30a of the transparent body angle grating 30 is a concave curved surface and a convex curved surface in which sine waves are superimposed two-dimensionally as shown in Expression (1). .

ここで、透明体角度格子形状のピッチPx,Pyは数100μm以下のオーダーであり、振幅Ax,Ayは数100nm以下のオーダーであり、これに光を入射すると回折格子のような役割を果たす。そこで、ここでは検出装置22のモデルを立てるに当たり光を波として扱い、振幅、位相を計算することで解析した。すなわち、ここで用いるのは幾何光学のモデルではなく波動光学のモデルである。 Here, the pitches P x and P y of the transparent body angular grating shape are on the order of several hundred μm or less, and the amplitudes Ax and Ay are on the order of several hundred nm or less. When light is incident on this, it acts like a diffraction grating. Fulfill. Therefore, here, in setting up the model of the detection device 22, light is treated as a wave, and analysis is performed by calculating the amplitude and phase. That is, what is used here is not a geometric optics model but a wave optics model.

図9に示されるように、透明体角度格子30の鉛直方向からほぼ垂直に光が位置(x,y)に入射するものとする。このとき、面Σ1から面Σ2まで進むと、光は距離2A-h(x,y)だけ進んだ後、透明体角度格子30内を距離h(x,y)だけ進み透明体角度格子30を透過する。透明体角度格子30の屈折率をn、透明体角度格子30外の屈折率を1とすると、この光が面Σ1から面Σ2まで進んだときの光路長Lは式(2)のように表される。   As shown in FIG. 9, it is assumed that light enters the position (x, y) substantially perpendicularly from the vertical direction of the transparent body angle grating 30. At this time, when the light travels from the surface Σ1 to the surface Σ2, the light travels by the distance 2A-h (x, y), and then travels through the transparent angle grating 30 by the distance h (x, y) and travels through the transparent angle grating 30. To Penetrate. Assuming that the refractive index of the transparent angle grating 30 is n and the refractive index outside the transparent angle grating 30 is 1, the optical path length L when this light travels from the surface Σ1 to the surface Σ2 is expressed by the equation (2). Is done.

面Σ1から面Σ2まで進んだときLだけ光路長があるので、それに波数k(=2π/λ,λ:光の波長)をかけたkLだけ位相が遅れることになる。よって、透明体角度格子30の持つ位相関数G(x,y)は以下の式(3)のように表せる。 Since there is an optical path length of L when proceeding from the plane Σ1 to the plane Σ2, the phase is delayed by kL multiplied by the wave number k (= 2π / λ, λ: wavelength of light). Therefore, the phase function G (x, y) of the transparent body angle grating 30 can be expressed as the following equation (3).

透明体角度格子30にX方向,Y方向の変位とZ軸回りの回転が生じたときは、式(4)を以下の式(5)のようにして表現できる。 When displacement in the X direction and Y direction and rotation about the Z axis occur in the transparent body angle lattice 30, Expression (4) can be expressed as the following Expression (5).

以上が透明体角度格子30のモデルのシミュレーション結果である。 The above is the simulation result of the model of the transparent body angle lattice 30.

続いて、透明体角度格子30を用いた透過型検出装置22の光学系について説明する。
図6に示されるように、透過型検出装置22の光学系において、レーザ光源(LD)34aから出た平行光42〜42は、微小開口38A〜38Iを有する格子状の分光板38に入射する。分光板38の各微小開口38A〜38Iで回折した光は、互いに干渉し、透明体角度格子30上ではグリッドパターンの開口間隔と同じ間隔でピークの立つ平行光42〜42(マルチビーム)が生成される。平行光42〜42は、透明体角度格子30を透過した後、対物レンズ44によって受光部36の受光面36aに集光される。
Next, the optical system of the transmission type detection device 22 using the transparent body angle grating 30 will be described.
As shown in FIG. 6, in the optical system of the transmission type detection device 22, the parallel lights 42 1 to 42 9 emitted from the laser light source (LD) 34 a are applied to the lattice-shaped spectroscopic plate 38 having minute openings 38 </ b> A to 38 </ b> I. Incident. The lights diffracted by the minute apertures 38A to 38I of the spectroscopic plate 38 interfere with each other, and parallel light 42 1 to 42 9 (multi-beam) having peaks at the same interval as the aperture interval of the grid pattern on the transparent body angle grating 30. Is generated. The parallel lights 42 1 to 42 9 are transmitted through the transparent angle grating 30 and then collected by the objective lens 44 onto the light receiving surface 36 a of the light receiving unit 36.

この光学系の受光部36の受光面36a上の強度分布を求めるために、ここでは、光学系を要素ごとに分け、それぞれの要素の持つ光波の振幅項と位相項に影響を与える関数を使い、それらを元にしてua,ua’,…,udと順に計算していく手法を取った。この光学系は発光部34、分光板38、透明体角度格子30、対物レンズ44、そして要素間の光波伝播空間からなる。   In order to obtain the intensity distribution on the light receiving surface 36a of the light receiving unit 36 of this optical system, here, the optical system is divided into elements, and functions that affect the amplitude term and phase term of the light wave of each element are used. , Based on them, we took a method of calculating in order of ua, ua ', ..., ud. The optical system includes a light emitting unit 34, a spectral plate 38, a transparent angle grating 30, an objective lens 44, and a light wave propagation space between elements.

以下順にこれらの関数について述べる。発光部34は強度がガウシアン分布の平行光uaを出すものとする。すなわち、同一面内に位相のそろった波であるので、位相項を無視し、振幅項にガウシアンのルートを取った値として以下の式(6)のように定義する。   These functions are described below in order. The light emitting section 34 emits parallel light ua having an intensity of Gaussian distribution. That is, since the waves have the same phase in the same plane, the phase term is ignored, and the value obtained by taking the Gaussian route as the amplitude term is defined as the following equation (6).

分光板38は、グリッドパターンの各微小開口38A〜38Iに入射した光は透過するが、それ以外の光は遮る。よって、その透過関数g(x,y)は以下の式(7)で表せる。 The spectroscopic plate 38 transmits light incident on the micro openings 38A to 38I of the grid pattern, but blocks other light. Therefore, the transmission function g (x, y) can be expressed by the following equation (7).

透明体角度格子30は先に述べたとおりである。
対物レンズ44は平面波を入射すると球面波にする作用があることから、その位相関数L(x,y)は式(8)で表される。
The transparent body angle grating 30 is as described above.
Since the objective lens 44 has a function of converting a plane wave into a spherical wave, the phase function L (x, y) is expressed by the equation (8).

光の空間の伝播はフレネル回折の式で考えられる。面Σ1から出た光は距離zだけ離れた面Σ2まで伝播する。このとき、フレネル回折の式は以下の式(9)で表せる。 The propagation of light in space can be considered by the Fresnel diffraction equation. The light emitted from the surface Σ1 propagates to the surface Σ2 separated by the distance z. At this time, the formula of Fresnel diffraction can be expressed by the following formula (9).

ここで、u0(x0,y0)は面Σ1での波面、u(x,y)は面Σ2での波面、iは虚数単位、λは光の波長である。 Here, u 0 (x 0 , y 0 ) is the wavefront at the plane Σ1, u (x, y) is the wavefront at the plane Σ2, i is the imaginary unit, and λ is the wavelength of light.

式(9)は畳み込み積分であり、以下の式(10)のようにフーリエ変換を用いた形に変形できる。ここで、F[v(x,y)]はv(x,y)のフーリエ変換、F-1[ω(x,y)]はω(x,y)の逆フーリエ変換を表す。 Equation (9) is a convolution integral and can be transformed into a form using Fourier transform as shown in Equation (10) below. Here, F [v (x, y)] represents the Fourier transform of v (x, y), and F −1 [ω (x, y)] represents the inverse Fourier transform of ω (x, y).

以上を元に、このモデルをまとめ、受光部36の受光面36aの強度分布I(x,y)を求めると以下のようになる。 Based on the above, this model is summarized and the intensity distribution I (x, y) of the light receiving surface 36a of the light receiving unit 36 is obtained as follows.

ここで、上記受光部36の受光面36aの強度分布I(x,y)のシミュレーションを行うと、以下のような結果が得られた。 Here, when the intensity distribution I (x, y) of the light receiving surface 36a of the light receiving unit 36 was simulated, the following results were obtained.

式(11)に従って、強度分布I(x,y)を計算した結果を図10に示す。このときのシミュレーション条件は、表1に示す。また、計算領域は等間隔にメッシュを切るが、このときのメッシュのサイズは3μm×3μmで、XY平面に1024×1024点を取って行った。   FIG. 10 shows the result of calculating the intensity distribution I (x, y) according to the equation (11). The simulation conditions at this time are shown in Table 1. The calculation area was cut at regular intervals, and the mesh size at this time was 3 μm × 3 μm, and 1024 × 1024 points were taken on the XY plane.

この結果からも分かるように、多数のピークが一定周期で並んでいることが分かる。これは、図6に示されるように、分光板38のグリッドパターン(図7を参照)と透明体角度格子30を光が通るときに、それらで光が回折し、対物レンズ44上で干渉し合い生成されているからである。 As can be seen from this result, it can be seen that a large number of peaks are arranged at a constant period. As shown in FIG. 6, when light passes through the grid pattern (see FIG. 7) of the spectroscopic plate 38 and the transparent angle grating 30, the light is diffracted and interferes on the objective lens 44. This is because they are generated together.

先ず、X方向への変位が生じたときの平行光42〜42が照射される各スポットの強度変化について説明する。
固定側の透明体角度格子30に対して可動側に設けられた発光部34からの光42〜42がX方向に変位したときに図10に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討したところ、強度分布は図11(A)〜(E)に示すように変化した。図11(A)〜(E)からも分かるように、X方向のピークの高さ分布が変化している。また、Y方向の分布は変化していないことが分かる。
First, the intensity change of each spot irradiated with the parallel lights 42 1 to 42 9 when the displacement in the X direction occurs will be described.
A simulation of how the intensity distribution shown in FIG. 10 changes when the light 42 1 to 42 9 from the light emitting unit 34 provided on the movable side with respect to the fixed-side transparent angle grating 30 is displaced in the X direction. The intensity distribution changed as shown in FIGS. 11 (A) to 11 (E). As can be seen from FIGS. 11A to 11E, the peak height distribution in the X direction changes. It can also be seen that the distribution in the Y direction has not changed.

次にY変位が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
透明体角度格子30に対して発光部34からの光42〜42がY方向に変位したときに図10に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討したところ、強度分布は図12(A)〜(E)に示すように変化した。図12(A)〜(E)に示されるように、X方向に変位したときと同様にY方向のピークの高さ分布が変化していることが分かる。また、X方向の分布は変化していないことが分かる。
Next, the intensity change of each spot when Y displacement occurs will be described.
When the light intensity distribution shown in FIG. 10 changes when the lights 42 1 to 42 9 from the light emitting portion 34 are displaced in the Y direction with respect to the transparent body angle grating 30, the intensity distribution is shown in FIG. 12 (A) to (E). As shown in FIGS. 12A to 12E, it can be seen that the height distribution of the peak in the Y direction changes as in the case of displacement in the X direction. It can also be seen that the distribution in the X direction has not changed.

次にθZ方向への回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
透明体角度格子30に対して発光部34からの光42〜42がθZ方向へ回転したときに図10にしめす強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討したところ、図13(A)〜(E)に示されるように変化した。しかしながら、この場合、スポットの変化がほとんど見られないため、図14(A)〜(E)に図13(A)〜(E)のスポットの一部の拡大して示す。図14(A)〜(E)に示されるように、θz方向への回転が生じると、スポット全体がスポット中心のピーク(ここでは最も強度の強いピーク)を軸として同じθZ方向への回転することが分かる。
Next, the intensity change of each spot when the rotation in the θZ direction occurs will be described.
Was examined on whether the simulation intensity distribution of light 42 1-42 9 shown in the Figure 10 when rotated to the theta Z direction from the light emitting portion 34 is how the changes with respect to the transparent body angle grating 30, FIG. 13 ( It changed as shown in A) to (E). However, in this case, since almost no change in the spot is observed, FIGS. 14A to 14E are enlarged views of a part of the spots in FIGS. 13A to 13E. As shown in FIGS. 14A to 14E, when rotation in the θz direction occurs, the entire spot rotates in the same θ Z direction with the peak at the center of the spot (here, the strongest peak) as an axis. I understand that

ここで、4分割PD55を用いた位置検出方法について説明する。
透明体角度格子30に対するX方向,Y方向の変位に対して、光42〜42のスポット強度はそれぞれX方向,Y方向にのみピークの高さが変化することが分かった。この原理を利用して図15に示す4分割PD55を用いてこれらの変位を検出することができる。以下にその検出原理及びシミュレーション結果を示す。
Here, a position detection method using the quadrant PD 55 will be described.
X direction with respect to the transparent body angle grating 30, the Y-direction of the displacement, the spot intensity of the light 42 1-42 9 was found to be the X direction, respectively, the height of the peak only in the Y direction changes. Utilizing this principle, these displacements can be detected by using the 4-part PD 55 shown in FIG. The detection principle and simulation results are shown below.

4分割PD55は、前述したように4つの受光素子55a〜55dをX、Y方向に2列ずつ組み合わせたものであり、4個のフォトダイオードを設けた場合と実質的に同一である。   As described above, the quadrant PD 55 is a combination of the four light receiving elements 55a to 55d in two rows in the X and Y directions, and is substantially the same as when four photodiodes are provided.

図15において、X方向,Y方向のセンサ出力をSX,SYとすると、受光素子55a〜55dの出力を図15に示すI1〜I4を用いてそれぞれ以下のように定義する。 In FIG. 15, when the sensor outputs in the X and Y directions are S X and S Y , the outputs of the light receiving elements 55a to 55d are defined as follows using I 1 to I 4 shown in FIG.

図16に上記4分割PD55を用いた場合のX変位のシミュレーションによる検出結果を示し、図17に上記4分割PD55を用いた場合のY変位のシミュレーションによる検出結果を示す。尚、図16、図17において、X変位を実線で示し、Y変位を一点鎖線で示す。図16、図17に示されるように、正弦波に近い形状で変位を検出できることが分かる。 FIG. 16 shows a detection result by simulation of X displacement when the above-described 4-division PD 55 is used, and FIG. 17 shows a detection result by simulation of Y displacement when the 4-division PD 55 is used. 16 and 17, the X displacement is indicated by a solid line, and the Y displacement is indicated by a one-dot chain line. As shown in FIGS. 16 and 17, it can be seen that the displacement can be detected in a shape close to a sine wave.

更に、図18に示すように、このプローブを2本用いることで、X,Y変位の相対的な位置関係からθz方向の回転も求めることができる。   Furthermore, as shown in FIG. 18, by using two probes, the rotation in the θz direction can also be obtained from the relative positional relationship between the X and Y displacements.

ここで、多素子型PDを用いた位置・姿勢検出方法について説明する。
上記4分割PD55を用いる検出方法とは異なり、多素子型PDを用いてスポットのピーク一つ一つの挙動を検出することでより多くの自由度を検出することが可能になる。受光部36の受光面36a(図8参照)では、XY方向に一定の周期で多数のピークが並ぶことになる。その多数あるピークの中で中心の9つのピークに対して、図19に示すようなフォトダイオード51〜54,56〜59を配置する。この受光部36は、受光面36aの4辺に1素子のフォトダイオード52,54,56,58が配置され、受光面36aの4隅には正方形を斜めにカットした2分割PD51,53,57,59が配置されている。この多素子型PDからなる受光部36を用いて位置・姿勢の3自由度を検出する方法を、以下順にXY位置の検出方法、θzの検出方法について述べる。
Here, a position / posture detection method using a multi-element PD will be described.
Unlike the detection method using the above-described quadrant PD 55, it is possible to detect more degrees of freedom by detecting the behavior of each spot peak using a multi-element PD. On the light receiving surface 36a (see FIG. 8) of the light receiving unit 36, a large number of peaks are arranged in a constant cycle in the XY direction. Among the many peaks, photodiodes 51 to 54 and 56 to 59 as shown in FIG. 19 are arranged for the central nine peaks. In this light receiving portion 36, one photodiode 52, 54, 56, 58 is disposed on four sides of the light receiving surface 36a, and squares are cut into two corners 51, 53, 57 at four corners of the light receiving surface 36a. , 59 are arranged. A method for detecting the three degrees of freedom of the position / orientation using the light receiving unit 36 composed of the multi-element type PD will be described in the order of the XY position detection method and the θz detection method.

まず、XY位置の検出方法について述べる。
図20(A)〜(E)は一例として実施例1のX方向の変位を検出する方法を示している。X方向に変位が生じると図20(A)〜(E)に示すようにフォトダイオード51〜54,56〜59上でスポットのピークがX方向に関してのみ高さ分布が変化する。そこで、受光部36のX方向のセンサ出力をSXとして、受光面36aのX方向2辺の中間位置に配置されたフォトダイオード54,56の強度検出値IX1,IX2を使って以下の式(14)の計算より求める。Y方向も同様にして受光部36のセンサ出力をSYとして、受光面36aのY方向2辺の中間位置に配置されたフォトダイオード52,58の強度検出値IY1,IY2を使って式(15)の計算より求める。
First, a method for detecting the XY position will be described.
20A to 20E show a method for detecting the displacement in the X direction of the first embodiment as an example. When displacement occurs in the X direction, as shown in FIGS. 20A to 20E, the height distribution of the spot peaks on the photodiodes 51 to 54 and 56 to 59 changes only in the X direction. Therefore, by using the sensor output in the X direction of the light receiving unit 36 as S X , and using the detected intensity values I X1 and I X2 of the photodiodes 54 and 56 arranged at the intermediate positions of the two sides in the X direction of the light receiving surface 36a, Obtained from calculation of equation (14). Similarly, in the Y direction, the sensor output of the light receiving unit 36 is S Y , and the intensity detection values I Y1 and I Y2 of the photodiodes 52 and 58 arranged at the intermediate positions of the two sides in the Y direction of the light receiving surface 36a are used. Obtained from calculation in (15).

次に、Z軸回りのθz方向の検出方法について説明する。
θz回転が生じると、光42〜42のスポット全体がスポット中心のピークを軸として同じθzだけ回転する。そこで受光面36aの4隅に配置された2分割PD51,53,57,59の8個の受光素子を使ってスポットの強度変化を検出することでθzを検出できる。図21(A)〜(C)に実施例1のXY位置の検出方法の検出原理を示す。2分割PD51,53,57,59の8個の受光素子51a,51b,53a,53b,57a,57b,59a,59bの出力をIθz1,Iθz2,Iθz3,Iθz4,Iθz5,Iθz6,Iθz7,Iθz8とすると、受光部36のθz方向の出力Sθzは、以下の式(16)より求められる。
Next, a detection method in the θz direction around the Z axis will be described.
When θz rotation occurs, the whole spot of light 42 1-42 9 rotates by the same θz as an axis the peak of spot center. Therefore, θz can be detected by detecting a change in the intensity of the spot using eight light receiving elements of two divided PDs 51, 53, 57, 59 arranged at the four corners of the light receiving surface 36a. FIGS. 21A to 21C show the detection principle of the XY position detection method of the first embodiment. The outputs of the eight light receiving elements 51a, 51b, 53a, 53b, 57a, 57b, 59a, 59b of the two-divided PDs 51, 53, 57, 59 are I θz1 , I θz2 , I θz3 , I θz4 , I θz5 , I θz6. , I θz7 , I θz8 , the output S θz of the light receiving unit 36 in the θz direction can be obtained from the following equation (16).

図22に実施例1のX方向変位の検出結果を示し、図23に実施例1のY方向変位の検出結果を示し、図24に実施例1のθz方向の検出結果を示す。図22に示されるように、X方向変位に対してSX,SθY,SθZが正弦波に近い曲線で変化するため、X方向変位を検出できることが分かる。このように、フォトダイオード54,56によりX方向変位を検出することが可能になる。 FIG. 22 shows the detection result of the X direction displacement of the first embodiment, FIG. 23 shows the detection result of the Y direction displacement of the first embodiment, and FIG. 24 shows the detection result of the θz direction of the first embodiment. As shown in FIG. 22, since the S X with respect to X-direction displacement, S [theta] Y, S .theta.Z changes by a curve similar to a sine wave, it can be seen that detect X-direction displacement. Thus, the X-direction displacement can be detected by the photodiodes 54 and 56.

また、図23に示されるように、Y方向変位に対してSY, SθX,SθZが正弦波に近い曲線で変位するため、Y方向変位を検出できることが分かる。このように、フォトダイオード52,58によりY方向変位を検出することが可能になる。 Further, as shown in FIG. 23, it can be seen that the displacement in the Y direction can be detected because S Y , S θX , and S θZ are displaced in a curve close to a sine wave with respect to the displacement in the Y direction. In this way, the Y-direction displacement can be detected by the photodiodes 52 and 58.

また、図24に示されるように、Z軸回りの回転に対してSθZが正弦波に近い曲線で変位するため、θz方向を検出できることが分かる。このように、2分割PD51,53,57,59の出力から得られる出力Sθzにより、θz方向の変位を検出することが可能になる。従って、受光部36のセンサ出力によってX,Y方向及びθz方向を検出することができるので、透明体角度格子30を垂直状態に取り付ける透過型検出装置22を用いて、第1ステージ14のX,Y方向変位、ピッチング方向、ローリング方向の傾き角度を検出することが可能になる。そのため、透過型検出装置22からの検出信号が入力される制御装置28(図3参照)では、第1ステージ14を移動させる過程で受光部36から得られたX,Y方向及びθx,θz方向の検出信号に基づいて、第1ステージ14がピッチング動作及びローリング動作を抑制するようにリニアモータ18,20を駆動制御することが可能になる。 Further, as shown in FIG. 24, since the S .theta.Z is displaced by a curve similar to a sine wave with respect to the rotation around the Z-axis, it can be seen that detect θz direction. Thus, the displacement in the θz direction can be detected from the output S θz obtained from the outputs of the two-divided PDs 51, 53, 57, and 59. Therefore, since the X, Y direction and θz direction can be detected by the sensor output of the light receiving unit 36, the X, Y of the first stage 14 is used by using the transmission type detecting device 22 for attaching the transparent body angle grating 30 in the vertical state. It becomes possible to detect the tilt angle in the Y direction displacement, the pitching direction, and the rolling direction. Therefore, in the control device 28 (see FIG. 3) to which the detection signal from the transmission type detection device 22 is input, the X and Y directions and the θx and θz directions obtained from the light receiving unit 36 in the process of moving the first stage 14. Based on this detection signal, the linear motors 18 and 20 can be driven and controlled so that the first stage 14 suppresses the pitching operation and the rolling operation.

尚、図22乃至図24に示すSθX ,SθYは、検出信号としては出力が小さいので、基板32の裏面にも透明体角度格子30を固着する構成とすることにより、出力が増大して検出信号として使用することが可能になる。図25に示されるように、透過型検出装置22では、基板32の表面及び裏面に一対の透明体角度格子30を背中合わせに固着する構成、すなわち、基板32の表側に設けられた第1の基準格子30と、第1の基準格子30と180度の向きとなるように、基板32の裏側に設けられた第2の基準格子30とにより、Z方向を除くX方向、Y方向の位置及び各軸回りの角度θx、θy、θzの検出信号を得ることが可能になる。 Note that S θX and S θY shown in FIGS. 22 to 24 have small outputs as detection signals, so that the output is increased by adopting a configuration in which the transparent angle grating 30 is fixed to the back surface of the substrate 32. It can be used as a detection signal. As shown in FIG. 25, in the transmission type detection device 22, a pair of transparent body angle gratings 30 are fixed back to back on the front surface and the back surface of the substrate 32, that is, a first reference provided on the front side of the substrate 32. The position of each of the X direction and the Y direction excluding the Z direction, and each of the positions by each of the grating 30 and the second reference grating 30 provided on the back side of the substrate 32 so as to be 180 degrees with the first reference grating 30. It becomes possible to obtain detection signals of the angles θx, θy, and θz around the axis.

反射型サーフェスエンコーダとして用いられる反射型検出装置70の構成について図26を参照して説明する。
図26に示されるように、反射型検出装置70は、第1ステージ14の移動方向に延在形成された透明体角度格子(基準格子)30と、透明体角度格子30を垂直状態に保持する反射面(ミラー)74aが形成された基板74と、透明体角度格子30に向けて複数の平行光を発光し、反射面74aからの反射光を受光する光センサユニット76とを備える。光センサユニット76は、複数の平行光を発光する発光部(図示せず)と、透明体角度格子30を透過して反射面74aで反射した複数の反射光を受光する受光部(図示せず)とを有する。
A configuration of a reflection type detection device 70 used as a reflection type surface encoder will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 26, the reflection-type detection device 70 holds the transparent body angle grating (reference grating) 30 formed in the moving direction of the first stage 14 and the transparent body angle grating 30 in a vertical state. A substrate 74 on which a reflection surface (mirror) 74a is formed, and an optical sensor unit 76 that emits a plurality of parallel lights toward the transparent body angle grating 30 and receives the reflection light from the reflection surface 74a. The optical sensor unit 76 includes a light emitting unit (not shown) that emits a plurality of parallel lights, and a light receiving unit (not shown) that receives a plurality of reflected lights that are transmitted through the transparent angle grating 30 and reflected by the reflecting surface 74a. ).

反射型検出装置70では、透明体角度格子30の検出面30aに対向する側に光センサユニット76を設ける構成であるので、前述した実施例1のものよりも透明体角度格子30をリニアモータ18に近接することが可能になり、その分リニアモータ18の近い位置でX方向、Y方向及び各軸回りの角度θx、θy、θzを検出することが可能になる。   In the reflection type detection device 70, the optical sensor unit 76 is provided on the side facing the detection surface 30a of the transparent body angle grating 30, so that the transparent body angle grating 30 is more linear than the first embodiment described above. Accordingly, it is possible to detect the angles θx, θy, and θz about the X direction, the Y direction, and each axis at a position close to the linear motor 18 correspondingly.

ここで、反射型検出装置70の状態検出の原理について説明する。
図27に反射面74aに貼り付けた透明体角度格子30のモデルを示す。透明体角度格子30の検出面30aの形状は、前述した実施例1と同様に式(17)に示すように2次元に正弦波を重ね合わせたものとなっている。
Here, the principle of the state detection of the reflection type detection device 70 will be described.
FIG. 27 shows a model of the transparent body angle grating 30 attached to the reflecting surface 74a. The shape of the detection surface 30a of the transparent angle grating 30 is a two-dimensionally superimposed sine wave as shown in the equation (17) as in the first embodiment.

ここで、透明体角度格子30の表面形状のピッチPx,Pyは数100μm以下のオーダー、そして振幅Ax,Ayは数100nm以下のオーダーであり、これに光を入射すると回折格子のような役割を果たす。そこで、ここでは、前述した実施例1と同様に反射型検出装置70のモデルを立てるに当たり光を波として扱い、振幅、位相を計算することで解析した。すなわち、ここで用いるのは幾何光学のモデルではなく波動光学のモデルである。 Here, the pitches P x and P y of the surface shape of the transparent angle grating 30 are on the order of several hundred μm or less, and the amplitudes A x and A y are on the order of several hundred nm or less. Play a role like this. Therefore, here, in the same manner as in the first embodiment described above, in setting up the model of the reflection type detection device 70, light was treated as a wave, and analysis was performed by calculating the amplitude and phase. That is, what is used here is not a geometric optics model but a wave optics model.

また、以下の説明では、図27のように透明体角度格子30の鉛直方向から光が位置(x,y)に入射するものとする。このとき、面Σから基板74の反射面74aまで進むとき、光は距離2A-h(x,y)だけ進んだ後、透明体角度格子30内に入射し、距離h(x,y)だけ進む。そして、反射面74aによって反射された光は、再び同じ光路を辿り、面Σまで進む。   In the following description, it is assumed that light enters the position (x, y) from the vertical direction of the transparent body angle grating 30 as shown in FIG. At this time, when traveling from the surface Σ to the reflecting surface 74a of the substrate 74, the light travels by the distance 2A-h (x, y), and then enters the transparent body angle grating 30, and only by the distance h (x, y). move on. Then, the light reflected by the reflecting surface 74a follows the same optical path again and proceeds to the surface Σ.

また、光が反射面74aで反射されるところでそのまま透過するように仮想したモデルを図28に示す。このとき、透明体角度格子30の屈折率をn、透明体角度格子30外の屈折率を1とすると、この光が面Σから入射し、再び面Σ(図28ではΣ’)まで進むときの光路長Lは式(18)のように表される。   FIG. 28 shows a virtual model in which light is transmitted as it is where it is reflected by the reflecting surface 74a. At this time, when the refractive index of the transparent body angle grating 30 is n and the refractive index outside the transparent body angle grating 30 is 1, this light is incident from the surface Σ and travels again to the surface Σ (Σ ′ in FIG. 28). The optical path length L is expressed as shown in Equation (18).

光が面Σから再び面Σまで進んだときLだけ光路長があるので、それに波数k(=2π/λ,λ:光の波長)をかけたkLだけ位相が遅れることになる。よって、透明体角度格子30の持つ位相関数Gr(x,y)は以下の式(19)のように表せる。 When the light travels from the plane Σ to the plane Σ again, there is an optical path length of L, so that the phase is delayed by kL multiplied by the wave number k (= 2π / λ, λ: wavelength of light). Therefore, the phase function Gr (x, y) of the transparent body angle grating 30 can be expressed as the following equation (19).

透明体角度格子30にX方向、Y方向の変位とX,Y,Z軸回りの回転が生じたときは式(20)を以下の式(21)のようにして表現できる。 When displacement in the X direction and Y direction and rotation about the X, Y, and Z axes occur in the transparent body angle lattice 30, Expression (20) can be expressed as the following Expression (21).

以上が反射面74aに貼り付けた透明体角度格子30のモデルである。 The above is the model of the transparent body angle lattice 30 attached to the reflecting surface 74a.

図29に実施例2の反射型検出装置70の光学系を示す。尚、図29において、前述した実施例1と同一部分には同一符号を付す。   FIG. 29 shows an optical system of the reflection type detection device 70 of the second embodiment. In FIG. 29, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

光センサユニット76は、発光部34と受光部36とを有する構成であるので、発光部34と受光部36とを別体に設けるものよりも装置全体を小型化することが可能になる。発光部34のレーザ光源(LD)34aから出た平行光40は、微小開口が2次元に一定周期に並んだグリッドパターンを有する分光板38に入射する。   Since the optical sensor unit 76 includes the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36, it is possible to reduce the size of the entire apparatus as compared with the case where the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36 are provided separately. The parallel light 40 emitted from the laser light source (LD) 34a of the light emitting unit 34 is incident on a spectroscopic plate 38 having a grid pattern in which minute openings are arranged two-dimensionally at a constant period.

分光板38において、グリッドパターンの各微小開口38A〜38Iで回折された光は、互いに干渉し、偏向ビームスプリッタ(PBS)78と1/4波長板80を透過する。そして、透明体角度格子30上では、グリッドパターンの開口間隔と同じ間隔でピークの立つ9本の平行光42〜42が生成される。 In the spectroscopic plate 38, the lights diffracted by the micro openings 38 </ b> A to 38 </ b> I of the grid pattern interfere with each other and pass through the deflecting beam splitter (PBS) 78 and the quarter wavelength plate 80. Then, on the transparent body angle lattice 30, nine parallel lights 42 1 to 42 9 having peaks at the same interval as the opening interval of the grid pattern are generated.

さらに、透明体角度格子30を透過して反射面74aで反射され再び透明体角度格子30を透過した後、偏向ビームスプリッタ78で90度の方向に反射され、対物レンズ44によって受光部36の受光面36a上に集光される。   Further, after passing through the transparent body angle grating 30 and reflected by the reflecting surface 74 a and again through the transparent body angle grating 30, it is reflected by the deflection beam splitter 78 in the direction of 90 degrees, and is received by the light receiving unit 36 by the objective lens 44. It is condensed on the surface 36a.

前述した実施例1で述べた方法と同様に、このモデルをまとめ受光部36の受光面36a上の強度分布I(x,y)を求めると以下のようになる。   Similar to the method described in the first embodiment, the intensity distribution I (x, y) on the light receiving surface 36a of the light receiving unit 36 is obtained by combining this model and is as follows.

式(22)に従って、強度分布I(x,y)を計算した結果を図30に示す。このときのシミュレーション条件は、表2に示す通りである。 FIG. 30 shows the result of calculating the intensity distribution I (x, y) according to the equation (22). The simulation conditions at this time are as shown in Table 2.

図30に示す結果からも分かるように、多数のピークが一定周期で並んでいることが分かる。これは、光がグリッドパターンと透明体角度格子30を通るときに、それらで光が回折され、対物レンズ44上で干渉し合い生成されているからである。 As can be seen from the results shown in FIG. 30, it can be seen that a large number of peaks are arranged at a constant period. This is because when the light passes through the grid pattern and the transparent body angle grating 30, the light is diffracted and interferes and is generated on the objective lens 44.

ここで、X変位が生じたときの平行光42〜42が照射される各スポットの強度変化について説明する。
固定側に取り付けられた透明体角度格子30に対して可動側に設けられた光センサユニット76がX方向に変位したときに図30に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した結果を図31(A)〜(E)に示す。図31(A)〜(E)からも分かるようにX方向のピークの高さ分布が変化している。また、図31によりY方向の分布は変化していないことが分かる。
Here, the intensity change of each spot irradiated with the parallel lights 42 1 to 42 9 when X displacement occurs will be described.
Results of examination by simulation of how the intensity distribution shown in FIG. 30 changes when the optical sensor unit 76 provided on the movable side is displaced in the X direction with respect to the transparent body angle grating 30 attached to the fixed side. Are shown in FIGS. 31 (A) to (E). As can be seen from FIGS. 31A to 31E, the peak height distribution in the X direction changes. Further, it can be seen from FIG. 31 that the distribution in the Y direction has not changed.

次に、Y変位が生じたときの平行光42〜42が照射される各スポット変化について説明する。
透明体角度格子30に対して光センサユニット76がY方向に変位したときに、図30の強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討したところ図32(A)〜(E)に示すような結果が得られた。図32(A)〜(E)に示すように、X方向に変位したときと同様にY方向のピークの高さ分布が変化していることが分かる。また、X方向の分布は変化していないことが分かる。
Next, each spot change irradiated with the parallel lights 42 1 to 42 9 when the Y displacement occurs will be described.
When the optical sensor unit 76 is displaced in the Y direction with respect to the transparent body angle grating 30, how the intensity distribution in FIG. 30 changes is examined by simulation, as shown in FIGS. 32 (A) to (E). Results were obtained. As shown in FIGS. 32A to 32E, it can be seen that the height distribution of the peak in the Y direction changes as in the case of displacement in the X direction. It can also be seen that the distribution in the X direction has not changed.

次に、X軸回りのθx方向の回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
透明体角度格子30に対してθx方向の回転が生じたときに図30の強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討したところ図33(A)〜(E)に示すような結果が得られた。図33(A)〜(E)に示されるように、スポットの変化が小さくてわかりにくいので、図34(A)〜(E)に図33(A)〜(E)のスポットの中心のピークの拡大図を示す。図34(A)〜(E)によりスポットのピークがY方向に移動していることが分かる。
Next, the intensity change of each spot when rotation in the θx direction around the X axis occurs will be described.
Examination of how the intensity distribution in FIG. 30 changes when the rotation in the θx direction occurs with respect to the transparent body angle grating 30 yields the results shown in FIGS. 33 (A) to (E). It was. As shown in FIGS. 33 (A) to (E), since the change in the spot is small and difficult to understand, the peaks at the centers of the spots in FIGS. 33 (A) to (E) are shown in FIGS. The enlarged view of is shown. 34A to 34E show that the spot peak moves in the Y direction.

次に、θY回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
透明体角度格子30にθY回転が生じたときに図30に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した。図35(A)〜(E)にθY回転が生じたときの各スポットの強度変化を示す。ここで、図35(A)〜(E)では、スポットの強度変化がほとんど見られないため、図36(A)〜(E)に図35(A)〜(E)のスポットの中心のピークの拡大図を示す。図36(A)〜(E)からピークがX方向に移動していることが分かる。
Next, the intensity change of each spot when the θ Y rotation occurs will be described.
It was examined by simulation how the intensity distribution shown in FIG. 30 changes when θ Y rotation occurs in the transparent angle grating 30. FIGS. 35A to 35E show the intensity change of each spot when θ Y rotation occurs. Here, in FIGS. 35A to 35E, since the spot intensity change is hardly seen, the peaks at the centers of the spots in FIGS. 35A to 35E are shown in FIGS. The enlarged view of is shown. 36A to 36E show that the peak moves in the X direction.

次に、Z軸回りのθz方向の回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
透明体角度格子30に対してθz方向に回転が生じたときに図30の強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討したところ図37(A)〜(E)に示すような結果が得られた。図37(A)〜(E)に示されるように、スポットの変化がほとんど見られないため、図38(A)〜(E)に図37(A)〜(E)のスポットの一部の拡大図を示す。θz方向の回転が生じると、スポット全体がスポット中心のピーク(ここでは最も強度の強いピーク)を軸として同じ角度θzだけ回転することが分かる。
Next, the intensity change of each spot when rotation in the θz direction around the Z axis occurs will be described.
When the intensity distribution in FIG. 30 changes when the rotation in the θz direction with respect to the transparent body angle lattice 30 is examined by simulation, the results shown in FIGS. 37A to 37E are obtained. It was. As shown in FIGS. 37 (A) to (E), since almost no change in the spot is observed, FIGS. 38 (A) to (E) show some of the spots in FIGS. 37 (A) to (E). An enlarged view is shown. It can be seen that when the rotation in the θz direction occurs, the entire spot rotates by the same angle θz with the peak at the center of the spot (here, the strongest peak) as an axis.

ここで、4分割PD55を用いた位置検出方法について説明する。
透明体角度格子30のX方向,Y方向の変位に対して、スポット強度はそれぞれX方向,Y方向にのみピークの高さが変化することが分かった。それを利用して、前述した実施例1と同じ図15に示す4分割PD55を用いてこれらの変位を検出することができる。尚、4分割PD55の検出原理は、前述した説明と同じなので、ここでは省略する。
Here, a position detection method using the quadrant PD 55 will be described.
It was found that, with respect to the displacement of the transparent body angle grating 30 in the X direction and the Y direction, the peak intensity changes only in the X direction and the Y direction, respectively. By utilizing this, it is possible to detect these displacements using the same 4-division PD 55 shown in FIG. The detection principle of the quadrant PD 55 is the same as that described above, and is omitted here.

図39に実施例2のX変位のシミュレーションの検出結果を示し、図40に実施例2のY変位のシミュレーションの検出結果を示す。図39、図40に示すように、実施例1の場合と同様に正弦波に近い形状でX,Y変位を検出できることが分かる。   FIG. 39 shows the detection result of the X displacement simulation of the second embodiment, and FIG. 40 shows the detection result of the Y displacement simulation of the second embodiment. As shown in FIGS. 39 and 40, it can be seen that the X and Y displacements can be detected with a shape close to a sine wave as in the case of the first embodiment.

更に、前述した図18に示した透過型スケールと同じ原理で、図39、図40に示すプローブを2本用いて、両者の相対的な位置関係からθzの回転も求めることができる。   Furthermore, on the same principle as the transmission scale shown in FIG. 18 described above, the rotation of θz can be obtained from the relative positional relationship between the two probes shown in FIGS. 39 and 40 using the two probes.

また、透明体角度格子30に対するスポットの移動量を検出することでθx,θを検出することが可能になる。 Further, [theta] x by detecting the amount of movement of the spot relative to the transparent body angle grating 30, it is possible to detect the theta Y.

次に、多素子型PDを用いた位置・姿勢検出方法について説明する。
上記4分割PD55を用いる検出方法とは異なり、フォトダイオード51〜59により各光42〜42のスポットのピーク一つ一つの挙動を検出することでより多くの自由度を検出することが可能になる。受光部36の受光面36aでは、XY方向に一定の周期で多数のピークが並ぶように検出される。その多数あるピークの中で中心の9つのピークに対して、前述した図8に示すような受光面36aにフォトダイオード51〜59を配置する。これは、図19に示すフォトダイオード51〜54,56〜59に加えて中心部に4分割PD55を配置したものである。
Next, a position / posture detection method using a multi-element PD will be described.
The 4 Unlike the detection method using a split PD55, can be detected more flexibility by detecting a peak every single behavior of the spot of the light 42 1-42 9 by the photodiode 51 to 59 become. On the light receiving surface 36a of the light receiving unit 36, detection is made so that a large number of peaks are arranged in a constant cycle in the XY direction. Among the many peaks, the photodiodes 51 to 59 are arranged on the light receiving surface 36a as shown in FIG. This is a four-part PD 55 disposed in the center in addition to the photodiodes 51 to 54 and 56 to 59 shown in FIG.

次に、この受光部36を用いて位置・姿勢の5自由度を検出する方法を述べるが、XY位置の検出方法及びθzの検出方法は、前述した実施例1の場合と同じであるので、ここでは、その説明を省略し、θx,θ方向の回転の検出方法について述べる。 Next, a method for detecting the five degrees of freedom of the position / orientation using the light receiving unit 36 will be described. However, the detection method of the XY position and the detection method of θz are the same as those in the above-described first embodiment. here, the description is omitted, [theta] x, describes method for detecting the rotation of the theta Y direction.

透明体角度格子30に対して発光部34がθx,θ方向に回転した場合、透明体角度格子30の検出面30aに照射された各光42〜42の各スポットがそれぞれX,Y方向に移動する。 Emitting portion 34 is θx relative to the transparent body angle grating 30, theta when rotated in the Y-direction, each spot of the transparent body angle detection surface each light 42 1 is irradiated to 30a of the grid 30 to 42 9 are each X, Y Move in the direction.

そこで、通常のオートコリメーション法と同じようにして受光面36aの中央にある4分割PD55を使ってX方向とY方向のスポットの移動量を検出することにより、θx,θ方向の回転は検出できる。図41(A)〜(C)は、例として実施例2のθ方向の回転の検出原理を示している。図41(A)〜(C)において、4分割PD55の出力をIθxy1,Iθxy2,Iθxy3,Iθxy4とすると、センサθ出力SθY,θx出力SθXは以下の式(23),(24)より求められる。 Therefore, by detecting the amount of movement of the spot in the X and Y directions by using the four-divided PD55 located in the same way as normal autocollimation method in the center of the light receiving surface 36a, [theta] x, the rotation of the theta Y direction detected it can. 41A to 41C show the principle of detection of rotation in the θY direction of the second embodiment as an example. 41 (A) to 41 (C), if the outputs of the quadrant PD 55 are I θxy 1 , I θxy 2 , I θxy 3 , and I θxy 4 , the sensor θ Y output S θY and θx output S θX are expressed by the following equations (23), It is calculated from (24).

図42に実施例2のX方向変位の検出結果を示す。図43に実施例2のY方向変位の検出結果を示す。図42,図43に示されるように、正弦波に近い形状でX,Y変位を検出できることがわかる。また、図44に実施例2のθxの検出結果を示し、図45に実施例2のθYの検出結果を示す。また、図46に実施例2のθz方向の検出結果を示す。 FIG. 42 shows the detection result of the displacement in the X direction according to the second embodiment. FIG. 43 shows the detection result of the Y direction displacement of the second embodiment. 42 and 43, it can be seen that the X, Y displacement can be detected with a shape close to a sine wave. FIG. 44 shows the detection result of θx of the second embodiment, and FIG. 45 shows the detection result of θ Y of the second embodiment. FIG. 46 shows the detection result in the θz direction of the second embodiment.

このように、反射型検出装置70では、フォトダイオード51〜59により検出された強度分布の変化からX,Y方向及びθx,θ,θz方向の回転動作も検出することが可能になる。 Thus, in the reflective type sensing device 70 consists of a change in detected intensity distribution by the photodiode 51 to 59 X, Y-direction and [theta] x, theta Y, can also be detected rotational movement of θz direction.

反射面角度格子を用いた反射型検出装置90の構成について図47を参照して説明する。
図47に示されるように、反射型検出装置90は、第1ステージ14の移動方向に延在形成された反射面角度格子(基準格子)92と、反射面角度格子92を垂直状態に保持する基板94と、反射面角度格子92に向けて複数の平行光を発光し、反射光を受光する光センサユニット76とを備える。反射面角度格子92は、検出面92aの表面に光を反射する反射膜が形成されている。光センサユニット76は、複数の平行光を発光する発光部(図示せず)と、反射面角度格子92の検出面92aで反射した複数の反射光を受光する受光部(図示せず)とを有する。
The configuration of the reflection type detection device 90 using the reflection surface angle grating will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 47, the reflection-type detection device 90 holds the reflection surface angle grating (reference grating) 92 extending in the moving direction of the first stage 14 and the reflection surface angle grating 92 in a vertical state. A substrate 94 and an optical sensor unit 76 that emits a plurality of parallel lights toward the reflecting surface angle grating 92 and receives the reflected lights are provided. The reflection surface angle grating 92 has a reflection film that reflects light on the surface of the detection surface 92a. The optical sensor unit 76 includes a light emitting unit (not shown) that emits a plurality of parallel lights, and a light receiving unit (not shown) that receives a plurality of reflected lights reflected by the detection surface 92a of the reflecting surface angle grating 92. Have.

反射型検出装置90では、反射面角度格子92の検出面92aに対向する側に光センサユニット76を設ける構成であるので、前述した実施例1のものよりも反射面角度格子92をリニアモータ18に近接することが可能になり、その分リニアモータ18の近い位置でX方向、Y方向及び各軸回りの角度θx、θy、θzを検出することが可能になる。   In the reflection type detection device 90, the optical sensor unit 76 is provided on the side facing the detection surface 92a of the reflection surface angle grating 92. Therefore, the reflection surface angle grating 92 is more linear than the one in the first embodiment. Accordingly, it is possible to detect the angles θx, θy, and θz about the X direction, the Y direction, and each axis at a position close to the linear motor 18 correspondingly.

ここで、反射型検出装置90の状態検出の原理について説明する。   Here, the principle of the state detection of the reflection type detection device 90 will be described.

図48に反射面角度格子92のモデルを示す。反射面角度格子92の形状は、前述した実施例1,2と同様に式(25)に示すように2次元に正弦波を重ね合わせたものとなっている。   FIG. 48 shows a model of the reflecting surface angle grating 92. The shape of the reflecting surface angle grating 92 is a two-dimensionally superimposed sine wave as shown in the equation (25), as in the first and second embodiments.

ここで、反射面角度格子92の表面形状のピッチPx,Pyは数100μm以下のオーダー、そして振幅Ax,Ayは数100nm以下のオーダーであり、これに光を入射すると回折格子のような役割を果たす。そこで、ここではエンコーダのモデルを立てるに当たり光を波として扱い、振幅、位相を計算することで解析した。すなわち、ここで用いるのは幾何光学のモデルではなく波動光学のモデルである。 Here, the pitches P x and P y of the surface shape of the reflecting surface angle grating 92 are on the order of several hundred μm or less, and the amplitudes A x and A y are on the order of several hundred nm or less. Play a role like this. Therefore, in order to build an encoder model, light was treated as a wave and analyzed by calculating the amplitude and phase. That is, what is used here is not a geometric optics model but a wave optics model.

図のように反射面角度格子92の上からほぼ垂直に光が位置(x,y)に入射するものとする。このとき、光は面Σから距離2A-h(x,y)だけ進んだ後、反射面角度格子92の検出面82aに形成された反射膜によって反射される。また、光が面Σから入射し、再び面Σ(図2ではΣ')まで進むときの光路長Lは、式(26)のように表される。   As shown in the figure, it is assumed that light is incident on the position (x, y) substantially vertically from above the reflecting surface angle grating 92. At this time, the light travels from the surface Σ by a distance 2A-h (x, y), and is then reflected by the reflective film formed on the detection surface 82a of the reflective surface angular grating 92. Further, the optical path length L when the light enters from the surface Σ and travels again to the surface Σ (Σ ′ in FIG. 2) is expressed by Expression (26).

面Σから再び面Σまで進んだときLだけ光路長があるので、それに波数k(=2π/λ,λ:光の波長)をかけたkLだけ位相が遅れることになる。よって、反射面角度格子92の持つ位相関数Gr(x,y)は、以下の式(27)のように表せる。 When traveling from the plane Σ to the plane Σ again, there is an optical path length of L, so that the phase is delayed by kL multiplied by the wave number k (= 2π / λ, λ: wavelength of light). Therefore, the phase function Gr (x, y) of the reflecting surface angle grating 92 can be expressed as the following equation (27).

反射面角度格子92にX方向,Y方向の変位とX,Y,Z軸回りの回転が生じたときは式(28)を以下の式(29)のようにして表現できる。 When displacement in the X direction and Y direction and rotation about the X, Y, and Z axes occur in the reflecting surface angle grating 92, Expression (28) can be expressed as Expression (29) below.

以上が反射面角度格子92のモデルである。 The above is the model of the reflecting surface angle grating 92.

次に、上記反射面角度格子92を用いた反射型検出装置90について説明する。
図49は実施例3の反射型サーフェスエンコーダの光学系を示す。尚、図49において、前述した実施例2と同一部分には同一符号を付す。
Next, a reflection type detection device 90 using the reflection surface angle grating 92 will be described.
FIG. 49 shows the optical system of the reflective surface encoder of the third embodiment. In FIG. 49, the same parts as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals.

図49に示されるように、光センサユニット76は、発光部34と受光部36とを有する構成であるので、発光部34と受光部36とを別体に設けるものよりも装置全体を小型化することが可能になる。発光部34のレーザ光源(LD)34aから出た平行光40は、微小開口が2次元に一定周期に並んだグリッドパターンを有する分光板38に入射する。   As shown in FIG. 49, since the optical sensor unit 76 has a configuration having the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36, the entire apparatus is reduced in size compared to the case where the light emitting unit 34 and the light receiving unit 36 are provided separately. It becomes possible to do. The parallel light 40 emitted from the laser light source (LD) 34a of the light emitting unit 34 is incident on a spectroscopic plate 38 having a grid pattern in which minute openings are arranged two-dimensionally at a constant period.

分光板38において、グリッドパターンの各微小開口38A〜38Iで回折された光は、互いに干渉し、偏向ビームスプリッタ(PBS)78と1/4波長板80を透過する。そして、透明体角度格子30上では、グリッドパターンの開口間隔と同じ間隔でピークの立つ9本の平行光42〜42が生成される。 In the spectroscopic plate 38, the lights diffracted by the micro openings 38 </ b> A to 38 </ b> I of the grid pattern interfere with each other and pass through the deflecting beam splitter (PBS) 78 and the quarter wavelength plate 80. Then, on the transparent body angle lattice 30, nine parallel lights 42 1 to 42 9 having peaks at the same interval as the opening interval of the grid pattern are generated.

さらに、反射面角度格子92の検出面92aの反射膜で反射され、偏向ビームスプリッタ78で90度の方向に反射され、対物レンズ44によって受光部36の受光面36a上に集光される。   Further, the light is reflected by the reflection film on the detection surface 92 a of the reflection surface angle grating 92, reflected by the deflecting beam splitter 78 in the direction of 90 degrees, and collected by the objective lens 44 on the light receiving surface 36 a of the light receiving unit 36.

前述した実施例1で述べた方法と同様に、このモデルをまとめ受光部36の受光面36a上の強度分布I(x,y)を求めると以下のようになる。   Similar to the method described in the first embodiment, the intensity distribution I (x, y) on the light receiving surface 36a of the light receiving unit 36 is obtained by combining this model and is as follows.

次に、実施例3のシミュレーションの結果について説明する。
上式(30)に従って、強度分布I(x,y)を計算した結果を図50に示す。このときのシミュレーション条件は、表3に示す通りである。
Next, the simulation result of Example 3 will be described.
FIG. 50 shows the result of calculating the intensity distribution I (x, y) according to the above equation (30). The simulation conditions at this time are as shown in Table 3.

図50に示すシミュレーションの結果からも分かるように、多数のピークが一定周期で並んでいることが分かる。これは、分光板38のグリッドパターンと反射面角度格子92を光が反射するときに、それらで光が回折し、対物レンズ44上で干渉し合い生成されているからである。 As can be seen from the simulation results shown in FIG. 50, it can be seen that a large number of peaks are arranged at a constant period. This is because when light is reflected by the grid pattern of the spectroscopic plate 38 and the reflection surface angle grating 92, the light is diffracted by them and interferes and is generated on the objective lens 44.

次に、X変位が生じたときの平行光42〜42が照射される各スポットの強度変化について説明する。
固定側の反射面角度格子92に対して可動側に設けられた光センサユニット76がX方向に変位したときに図50に示すの強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した。図51(A)〜(E)にX変位が生じたときの各スポットの強度変化を示す。図51(A)〜(E)からも分かるようにX方向のピークの高さ分布が変化している。また、図51(A)〜(E)によりY方向の分布は変化していないことが分かる。
Next, the intensity change of each spot irradiated with the parallel lights 42 1 to 42 9 when X displacement occurs will be described.
It was examined by simulation how the intensity distribution shown in FIG. 50 changes when the optical sensor unit 76 provided on the movable side with respect to the fixed-side reflecting surface angle grating 92 is displaced in the X direction. 51A to 51E show changes in the intensity of each spot when X displacement occurs. As can be seen from FIGS. 51A to 51E, the peak height distribution in the X direction changes. In addition, it can be seen from FIGS. 51A to 51E that the distribution in the Y direction does not change.

次に、Y変位が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
反射面角度格子92に対して光センサユニット76がY方向に変位したときに図50に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した。図52(A)〜(E)にY変位が生じたときの各スポットの強度変化を示す。図52(A)〜(E)からX方向に変位したときと同様にY方向のピークの高さ分布が変化していることが分かる。また、図52(A)〜(E)によりX方向の分布は変化していないことが分かる。
Next, the intensity change of each spot when Y displacement occurs will be described.
It was examined by simulation how the intensity distribution shown in FIG. 50 changes when the optical sensor unit 76 is displaced in the Y direction with respect to the reflecting surface angle grating 92. 52A to 52E show the intensity change of each spot when the Y displacement occurs. 52A to 52E, it can be seen that the peak height distribution in the Y direction changes as in the case of displacement in the X direction. 52A to 52E show that the X-direction distribution is not changed.

次にθx回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
反射面角度格子92に対して光センサユニット76がθx方向に回転した場合、図50に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した。図53(A)〜(E)にθx回転が生じたときの各スポットの強度変化を示す。図53(A)〜(E)では、スポットの変化がほとんど見られないため、図54(A)〜(E)に図53(A)〜(E)のスポットの中心のピークの拡大図を示す。図54(A)〜(E)によりピークがY方向に移動していることが分かる。
Next, the intensity change of each spot when the θx rotation occurs will be described.
When the optical sensor unit 76 is rotated in the θx direction with respect to the reflection surface angle grating 92, the simulation examined how the intensity distribution shown in FIG. 50 changes. 53A to 53E show changes in intensity of each spot when the θx rotation occurs. In FIGS. 53 (A) to 53 (E), almost no change in the spot is observed, and therefore, enlarged views of the peaks at the centers of the spots in FIGS. 53 (A) to (E) are shown in FIGS. Show. 54A to 54E show that the peak moves in the Y direction.

次にθ回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
反射面角度格子92に対して光センサユニット76がθ方向に回転した場合、図50に示す強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した。図55(A)〜(E)にθ回転が生じたときの各スポットの強度変化を示す。図55(A)〜(E)では、各スポットの変化がほとんど見られないため、図56(A)〜(E)に図55(A)〜(E)の各スポットの中心のピークの拡大図を示す。図56(A)〜(E)によりピークがX方向に移動していることが分かる。
Next, the intensity change of each spot when the θY rotation occurs will be described.
When the optical sensor unit 76 is rotated in the θY direction with respect to the reflection surface angle grating 92, the simulation examined how the intensity distribution shown in FIG. 50 changes. FIGS. 55A to 55E show the intensity change of each spot when the θY rotation occurs. In FIGS. 55 (A) to (E), since almost no change is observed in each spot, the peaks at the centers of the spots in FIGS. 55 (A) to (E) are enlarged in FIGS. 56 (A) to (E). The figure is shown. 56A to 56E show that the peak moves in the X direction.

次にθz回転が生じたときの各スポットの強度変化について説明する。
反射面角度格子92に対して光センサユニット76がθz方向に回転した場合、図50の強度分布がどのように変化するかシミュレーションで検討した。図57(A)〜(E)にθz回転が生じたときの強度変化を示す。ここで、図57(A)〜(E)では、スポットの強度変化がほとんど見られないため、図58(A)〜(E)に図57(A)〜(E)のスポットの一部の拡大図を示す。図57(A)〜(E)により、θz方向の回転が生じると、スポット全体がスポット中心のピークを軸として同じθzだけ回転することがわかる。
Next, the intensity change of each spot when the θz rotation occurs will be described.
When the optical sensor unit 76 is rotated in the θz direction with respect to the reflecting surface angle grating 92, how the intensity distribution in FIG. 57A to 57E show intensity changes when θz rotation occurs. Here, in FIGS. 57 (A) to (E), almost no change in the intensity of the spot is seen, and therefore some of the spots in FIGS. 57 (A) to (E) are shown in FIGS. An enlarged view is shown. 57A to 57E, it can be seen that when the rotation in the θz direction occurs, the entire spot rotates by the same θz around the peak at the center of the spot.

次に、4分割PD55を用いた位置検出方法について説明する。
反射面角度格子92のX方向、Y方向の変位に対してスポット強度は、それぞれX方向,Y方向にのみピークの高さが変化することが分かった。それを利用して前述した実施例1と同じ図15に示す4分割PD55を用いてこれらの変位を検出することができる。4分割PD55による検出原理は、前述した実施例1と同じなので、ここではその説明を省略する。
Next, a position detection method using the quadrant PD 55 will be described.
It was found that the peak intensity of the spot intensity changes only in the X direction and the Y direction with respect to the displacement in the X direction and the Y direction of the reflecting surface angle grating 92, respectively. By utilizing this, it is possible to detect these displacements using the same 4-division PD 55 shown in FIG. Since the detection principle by the four-divided PD 55 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted here.

続いて、実施例3のシミュレーション結果を以下で説明する。
図59に実施例3のX変位の検出結果を示し、図60に実施例3のY変位の検出結果を示す。図59、図60から正弦波に近い形状でX,Y変位を検出できることが分かる。
Subsequently, a simulation result of Example 3 will be described below.
FIG. 59 shows the detection result of the X displacement of the third embodiment, and FIG. 60 shows the detection result of the Y displacement of the third embodiment. It can be seen from FIGS. 59 and 60 that the X and Y displacement can be detected with a shape close to a sine wave.

更に、前述した図18に示した透過型スケールと同じ原理で図59、図60に示すこのプローブを2本用いて反射面角度格子82と光センサユニット76との相対的な位置関係からθzの回転も求めることができる。また、スポットの移動量を検出することでθx,θを検出できる。 Further, using the two probes shown in FIGS. 59 and 60 based on the same principle as the transmission scale shown in FIG. 18 described above, θz can be calculated from the relative positional relationship between the reflecting surface angle grating 82 and the optical sensor unit 76. Rotation can also be determined. Can also be detected [theta] x, the theta Y by detecting the amount of movement of the spot.

次に多素子型PDを有する受光部36を用いた位置・姿勢検出方法について説明する。
前述した実施例2で述べた方法と同じ方法で、図8に示す受光部36を用いてスポットのピーク一つ一つの挙動を検出することでより多くの自由度を検出することができる。検出原理は、前述した実施例2と同じなので省略する。
Next, a position / posture detection method using the light receiving unit 36 having a multi-element PD will be described.
More degrees of freedom can be detected by detecting the behavior of each spot peak using the light receiving unit 36 shown in FIG. 8 in the same manner as described in the second embodiment. Since the detection principle is the same as that of the second embodiment described above, a description thereof will be omitted.

次に、多素子型PDを有する受光部36のシミュレーション結果について説明する。
図61に実施例3のX変位の検出結果を示し、図62に実施例3のY変位の検出結果を示す。図61、図62に示されるように、正弦波に近い形状でX,Y変位を検出できることが分かる。また、図63に実施例3のθxの検出結果を示し、図64に実施例3のθの検出結果を示す。また、図65に実施例3のθzの検出結果を示す。
Next, a simulation result of the light receiving unit 36 having a multi-element type PD will be described.
FIG. 61 shows the X displacement detection result of Example 3, and FIG. 62 shows the Y displacement detection result of Example 3. As shown in FIGS. 61 and 62, it can be seen that the X and Y displacement can be detected with a shape close to a sine wave. FIG. 63 shows the detection result of θx of Example 3, and FIG. 64 shows the detection result of θ Y of Example 3. FIG. 65 shows the detection result of θz in Example 3.

このように、反射型検出装置90では、フォトダイオード51〜59により検出された強度分布の変化からX,Y方向及びθx,θ,θz方向の回転動作も検出することが可能になる。 Thus, in the reflective type sensing device 90 consists of a change in detected intensity distribution by the photodiode 51 to 59 X, Y-direction and [theta] x, theta Y, can also be detected rotational movement of θz direction.

図66は反射型検出装置に用いられる実施例4の光センサユニット100を示す図である。尚、図66において、前述した図29に示す実施例2の光センサユニット76と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。   FIG. 66 is a diagram showing an optical sensor unit 100 according to a fourth embodiment used in a reflection type detection device. In FIG. 66, the same parts as those of the optical sensor unit 76 of the second embodiment shown in FIG.

図66に示されるように、光センサユニット100は、発光部34と受光部36とを有しており、発光部34のレーザ光源(LD)34aから出た平行光40は、分光手段として機能する透明体角度格子102の入射面102aに入射する。   As shown in FIG. 66, the optical sensor unit 100 includes a light emitting unit 34 and a light receiving unit 36, and the parallel light 40 emitted from the laser light source (LD) 34a of the light emitting unit 34 functions as a spectroscopic unit. Is incident on the incident surface 102a of the transparent angle grating 102.

透明体角度格子102の入射面102aは、前述した透明体角度格子30の検出面30aと同様な形状に構成されている。すなわち、入射面102aは、表面に所定の曲率半径を有する正弦波形状の輪郭右で立体的な凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成されている。この入射面102aの凹凸形状は、前述した透明体角度格子30と同様な方法で微細な凹曲面、凸曲面を均一、且つ高精度に形成される。   The incident surface 102a of the transparent body angle grating 102 is configured in the same shape as the detection surface 30a of the transparent body angle grating 30 described above. In other words, the incident surface 102a has a three-dimensional concave curved surface and convex curved surface alternately formed in a two-dimensional direction on the right side of the contour of a sinusoidal shape having a predetermined radius of curvature. The concave / convex shape of the incident surface 102a is such that fine concave curved surfaces and convex curved surfaces are formed uniformly and with high accuracy in the same manner as the transparent body angle grating 30 described above.

発光部34は、透明体角度格子102の入射面102aに対して鉛直方向から対向するように設けられている。発光部34から出射された平行光40は、入射面102a全体に照射されるため、入射面102aの凹曲面及び凸曲面が微細なレンズとして機能することにより、凹曲面で拡散した光と凸曲面で収束した光とが重なり合った複数の光に分光される。このときの分光された光の数やピッチは、凹曲面及び凸曲面の曲率半径によって選択的に設定することが可能である。   The light emitting unit 34 is provided so as to face the incident surface 102a of the transparent body angle grating 102 from the vertical direction. Since the parallel light 40 emitted from the light emitting unit 34 is irradiated on the entire incident surface 102a, the concave curved surface and the convex curved surface of the incident surface 102a function as a fine lens, so that the light diffused on the concave curved surface and the convex curved surface The light converged at is split into a plurality of overlapping light. At this time, the number and pitch of the dispersed light can be selectively set according to the curvature radius of the concave curved surface and the convex curved surface.

従って、前述した分光板38の代わりに透明体角度格子102を分光手段として用いることにより分光板38よりも精密な分光が可能になる。   Therefore, by using the transparent body angle grating 102 as the spectroscopic means instead of the above-described spectroscopic plate 38, it becomes possible to perform spectroscopic analysis more precisely than the spectroscopic plate 38.

透明体角度格子102によって分光された光は、偏向ビームスプリッタ(PBS)78と1/4波長板80を透過する。そして、透明体角度格子30上では、所定間隔でピークの立つ平行光42〜42が生成される。 The light split by the transparent angle grating 102 passes through a deflecting beam splitter (PBS) 78 and a quarter-wave plate 80. Then, on the transparent body angle grating 30, parallel lights 42 1 to 42 n having peaks at predetermined intervals are generated.

さらに、透明体角度格子30を透過して反射面74aで反射され再び透明体角度格子30を透過した後、偏向ビームスプリッタ78で90度の方向に反射され、対物レンズ44によって受光部36の受光面36a上に集光される。   Further, after passing through the transparent body angle grating 30 and reflected by the reflecting surface 74 a and again through the transparent body angle grating 30, it is reflected by the deflection beam splitter 78 in the direction of 90 degrees, and is received by the light receiving unit 36 by the objective lens 44. It is condensed on the surface 36a.

ここで、透明体角度格子102を分光手段として用いた場合のシミュレーション結果について説明する。   Here, a simulation result when the transparent body angle grating 102 is used as the spectroscopic means will be described.

微細正弦波を2次元に展開した形状の入射面102aを有する透明体角度格子102と2次元角度センサを組合わせたサーフェスエンコーダとしての検出装置では、正弦波角度格子30と同様の形状を持つ透明体角度格子102を用いることでビーム効率の高い光学系を実現すると共に、透明体角度格子30と透明体角度格子102との相対変位として同様に多自由度位置検出が行える。   In the detection device as a surface encoder that combines a transparent body angle grating 102 having an incident surface 102a having a shape in which a fine sine wave is developed two-dimensionally and a two-dimensional angle sensor, the transparent device has the same shape as the sine wave angle grating 30. By using the body angle grating 102, an optical system with high beam efficiency can be realized, and similarly, a multi-degree-of-freedom position detection can be performed as a relative displacement between the transparent body angle grating 30 and the transparent body angle grating 102.

透明体角度格子30,102を用いたDual正弦波格子型サーフェスエンコーダの有効性を以下の条件(表4参照)でシミュレーションしたところ図67乃至図71に示すような結果が得られた。   When the effectiveness of the dual sine wave grating surface encoder using the transparent angle gratings 30 and 102 was simulated under the following conditions (see Table 4), the results shown in FIGS. 67 to 71 were obtained.

図67(A)〜(D)は透明体角度格子102により生成されたマルチスポットの実験データを示すグラフである。図67(A)は、X方向に対するマルチスポットの強度を示すグラフ、図67(B)は、Y方向に対するマルチスポットの強度を示すグラフ、図67(C)は、X方向に対するマルチスポットの一部の強度を拡大して示すグラフ、図67(D)は、Y方向に対するマルチスポットの一部の強度を拡大して示すグラフである。 67A to 67D are graphs showing experimental data of multi-spots generated by the transparent body angle grating 102. FIG. 67A is a graph showing the intensity of the multi-spot with respect to the X direction, FIG. 67B is a graph showing the intensity of the multi-spot with respect to the Y direction, and FIG. FIG. 67D is a graph showing the intensity of a part of the multi-spot with respect to the Y direction in an enlarged manner.

図67(A)〜(D)に示されるように、透明体角度格子102により生成されたマルチスポットは、X方向及びY方向に周期的なピークを有する複数のスポットが得られ、且つX方向及びY方向の中央の強度が最大となるように形成されることが分かる。   As shown in FIGS. 67 (A) to 67 (D), the multi-spot generated by the transparent body angle grating 102 can obtain a plurality of spots having periodic peaks in the X direction and the Y direction, and the X direction. In addition, it can be seen that the central strength in the Y direction is maximized.

ここでは、説明の便宜上、受光部36の受光素子に4分割PDを用いた場合の検出シミュレーション結果について説明する。   Here, for convenience of explanation, a detection simulation result in the case where a quadrant PD is used as the light receiving element of the light receiving unit 36 will be described.

図68は4分割PD上で受光された受光スポットの強度分布を解析した結果を示すグラフである。図68に示されるように、4分割PD上には、所定間隔で強度がピークとなる平行光42〜42が検出されることが分かる。 FIG. 68 is a graph showing the result of analyzing the intensity distribution of the light receiving spot received on the 4-split PD. As shown in FIG. 68, it can be seen that parallel lights 42 1 to 42 n whose intensity peaks at a predetermined interval are detected on the quadrant PD.

図69(A)〜(D)は透明体角度格子30がX方向に相対変位(Y=0)した場合のマルチスポットの変化を示すグラフである。図69(A)の停止状態から図69(B)に示す変位状態では、マルチスポットのピーク分布のうち左側(X=0より−側)が減少して右側(X=0より+側)のピーク値が突出することにより透明体角度格子30が右側(X=0より+側)に変位したことが分かる。また、図69(C)の停止状態から図69(D)に示す変位状態では、マルチスポットのピーク分布のうち右側(X=0より−側)が減少して左側(X=0より+側)のピーク値が突出することにより透明体角度格子30が左側(X=0より−側)に変位したことが分かる。   69 (A) to 69 (D) are graphs showing changes in multi-spots when the transparent body angle grating 30 is relatively displaced (Y = 0) in the X direction. In the displacement state shown in FIG. 69 (B) from the stopped state in FIG. 69 (A), the left side (−side from X = 0) of the multi-spot peak distribution decreases and the right side (+ side from X = 0). It can be seen that the transparent body angle grating 30 is displaced to the right side (X side from X = 0) by the peak value protruding. In addition, in the displacement state shown in FIG. 69D from the stopped state in FIG. 69C, the right side (−side from X = 0) of the multi-spot peak distribution decreases and the left side (from X = 0 to the + side). It can be seen that the transparent angle grating 30 is displaced to the left (X side minus X = 0) due to the peak value of.

図70(A)〜(D)は透明体角度格子102がY方向に相対変位(X=0)した場合のマルチスポットの変化を示すグラフである。図70(A)の停止状態から図70(B)に示す変位状態では、マルチスポットのピーク分布のうち前側(Y=0より−側)が減少して後側(Y=0より+側)のピーク値が突出することにより透明体角度格子30が後側(Y=0より+側)に変位したことが分かる。また、図70(C)の停止状態から図70(D)に示す変位状態では、マルチスポットのピーク分布のうち後側(Y=0より+側)が減少して前側(Y=0より−側)のピーク値が突出することにより透明体角度格子30が前側(Y=0より−側)に変位したことが分かる。   FIGS. 70A to 70D are graphs showing changes in multi-spots when the transparent body angle grating 102 is relatively displaced (X = 0) in the Y direction. In the displacement state shown in FIG. 70B from the stop state of FIG. 70A, the front side (−side from Y = 0) of the multi-spot peak distribution is reduced and the back side (+ side from Y = 0). It can be seen that the transparent body angle grating 30 is displaced to the rear side (+ side from Y = 0) by protruding the peak value. Further, in the displacement state shown in FIG. 70D from the stopped state in FIG. 70C, the rear side (+ side from Y = 0) of the multi-spot peak distribution decreases and the front side (from Y = 0 to −). It can be seen that the transparent body angle grating 30 is displaced to the front side (Y side from Y = 0) by the peak value on the side) protruding.

図71は4分割PDのX方向変位に対する出力変化をシミュレートした実験結果である。図72は4分割PDのY方向変位に対する出力変化をシミュレートした実験結果である。   FIG. 71 shows the experimental results simulating the output change with respect to the X-direction displacement of the 4-part PD. FIG. 72 shows the experimental results simulating the output change with respect to the Y-direction displacement of the 4-part PD.

図71に示されるように、X方向変位の相対変位が生じた場合には、Y方向の出力は変化しないがX方向の出力が正弦波状に変化することが分かる。また、図72に示されるように、Y方向変位の相対変位が生じた場合には、X方向の出力は変化しないがY方向の出力が正弦波状に変化することが分かる。   As shown in FIG. 71, it can be seen that when the relative displacement of the X direction displacement occurs, the output in the Y direction does not change, but the output in the X direction changes in a sine wave form. In addition, as shown in FIG. 72, it can be seen that when the relative displacement of the Y direction displacement occurs, the output in the X direction does not change, but the output in the Y direction changes in a sine wave form.

このように、透明体角度格子102を分光手段として用いた構成とすることにより、X方向変位の相対変位及びY方向変位の相対変位を受光部36の出力変化から検出することが可能であることが検証された。   Thus, by using the transparent body angle grating 102 as the spectroscopic means, it is possible to detect the relative displacement of the X direction displacement and the relative displacement of the Y direction displacement from the output change of the light receiving unit 36. Was verified.

また、受光部36の受光素子に多素子型PD(前述した図8を参照)やCCD素子を用いることによって、XY位置のほかにピッチング、ローリング、ヨーイングなどの各軸回りの回動による傾き姿勢も計測することが可能になる。   Further, by using a multi-element type PD (see FIG. 8 described above) or a CCD element as the light receiving element of the light receiving unit 36, an inclination posture by rotation around each axis such as pitching, rolling, yawing, etc. in addition to the XY position. Can also be measured.

上記実施例では、ステージの位置を検出する検出装置を一例として説明したが、これに限らず、他の可動体の移動位置及び移動に伴う状態(傾き)を検出することができるのは勿論である。   In the above embodiment, the detection device for detecting the position of the stage has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and it is a matter of course that the moving position of other movable bodies and the state (tilt) associated with the movement can be detected. is there.

また、検出装置としては、例えば、リニアエンコーダ以外としてロータリエンコーダにも適用することも可能であり、さらには、ステージ装置以外のものとしてはハードディスク装置やデジタル・ビデオ・ディスク装置にも適用することができる。   In addition, as a detection device, for example, it can be applied to a rotary encoder as well as a linear encoder, and as a device other than a stage device, it can also be applied to a hard disk device or a digital video disk device. it can.

また、マウスなどのパーソナルコンピュータの入力装置やコンピュータゲーム装置の入力装置にも適用することが可能である。   The present invention can also be applied to an input device of a personal computer such as a mouse or an input device of a computer game device.

さらに、物流関係の対象物情報(例えば、荷物の位置情報)や商品の2次元バーコードの検出装置にも応用することができるので、ICタグと同等な高密度光タグへの応用も可能である。   In addition, it can be applied to logistics-related object information (for example, package location information) and product two-dimensional barcode detection devices, so it can be applied to high-density optical tags equivalent to IC tags. is there.

基準格子と2次元角度センサとを有した従来の検出装置の概略図である。It is the schematic of the conventional detection apparatus which has a reference | standard grating | lattice and a two-dimensional angle sensor. 2次元角度センサの構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the two-dimensional angle sensor. 本発明になる検出装置の実施例1が適用されたステージ装置の主要構成要素を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the main components of the stage apparatus to which Example 1 of the detection apparatus according to the present invention is applied. 透過型検出装置22の構成を示す斜視図である。2 is a perspective view showing a configuration of a transmission type detection device 22. FIG. 透明体角度格子30の検出面に複数の光を照射する様子を拡大して示す斜視図である。4 is an enlarged perspective view showing a state in which a plurality of lights are irradiated on a detection surface of a transparent body angle grating 30. FIG. 透過型検出装置22の構成をX方向からみた構成図である。It is the block diagram which looked at the structure of the transmissive | pervious detection apparatus 22 from the X direction. 分光板38のグリッドパターンの一例を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows an example of the grid pattern of the spectroscopic plate. フォトダイオード51〜59が配置された受光面36aを拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the light-receiving surface 36a in which the photodiodes 51-59 are arrange | positioned. 透明体角度格子30に光が位置(x,y)に入射するモデルを示す図である。It is a figure which shows the model in which light injects into the transparent body angle grating | lattice 30 in position (x, y). 実施例1の強度分布I(x,y) のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of intensity distribution I (x, y) of Example 1. 透明体角度格子30に対して発光部34がX方向へ回転したときの強度分布の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of a change in intensity distribution when a light emitting unit is rotated in the X direction with respect to a transparent body angle grating. 透明体角度格子30に対して発光部34がY方向へ回転したときの強度分布の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of a change in intensity distribution when a light emitting unit is rotated in the Y direction with respect to a transparent body angle grating. 透明体角度格子30に対して発光部34がθZ方向へ回転したときの強度分布の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of a change in intensity distribution when the light emitting unit is rotated in the θZ direction with respect to the transparent body angle grating. 図13(A)〜(E)のスポットの一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of spot of Drawing 13 (A)-(E). 4分割PD55を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows 4 division | segmentation PD55. 4分割PD55を用いた場合のX変位のシミュレーションによる検出結果を示すグラフである。It is a graph which shows the detection result by the simulation of X displacement at the time of using 4 division | segmentation PD55. 4分割PD55を用いた場合のY変位のシミュレーションによる検出結果を示すグラフである。It is a graph which shows the detection result by the simulation of Y displacement at the time of using 4 division | segmentation PD55. X,Y変位の相対的な位置関係からθz方向の回転も求める方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of also calculating | requiring the rotation of (theta) z direction from the relative positional relationship of a X, Y displacement. 受光部36のフォトダイオード51〜54,56〜59の配置を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an arrangement of photodiodes 51 to 54 and 56 to 59 of the light receiving unit 36. 実施例1のX方向の変位を検出する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of detecting the displacement of the X direction of Example 1. FIG. 実施例1のXY位置の検出方法の検出原理を示す図である。It is a figure which shows the detection principle of the detection method of the XY position of Example 1. FIG. 実施例1のX方向変位の検出結果を示すグラフである。6 is a graph showing the detection result of the displacement in the X direction in Example 1; 実施例1のY方向変位の検出結果を示すグラフである。3 is a graph showing a detection result of displacement in the Y direction in Example 1. 実施例1のθz方向の検出結果を示すグラフである。6 is a graph illustrating a detection result in the θz direction according to the first embodiment. 実施例1の変形例を示す光学系の図である。7 is a diagram of an optical system showing a modification of Example 1. FIG. 実施例2の反射型検出装置70の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the reflection type detection apparatus 70 of Example 2. FIG. 実施例2の反射面74aに貼り付けた透明体角度格子30のモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the transparent body angle lattice 30 affixed on the reflective surface 74a of Example 2. FIG. 実施例2の光が反射面74aで反射されるところでそのまま透過するように仮想したモデルを示す図である。It is a figure which shows the model hypothesized so that the light of Example 2 may be transmitted as it is where it is reflected by the reflecting surface 74a. 実施例2の反射型検出装置70の光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system of the reflection type detection apparatus 70 of Example 2. FIG. 実施例2の強度分布I(x,y) のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of intensity distribution I (x, y) of Example 2. 透明体角度格子30に対してX方向に変位したときの強度分布の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the change of intensity distribution when displaced to the X direction with respect to the transparent body angle lattice. 透明体角度格子30に対してY方向に変位したときの強度分布の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the change of intensity distribution when displaced to the Y direction to transparent body angle lattice 30. 透明体角度格子30に対してθx方向の回転が生じたときの強度分布の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of a change in intensity distribution when rotation in the θx direction occurs with respect to the transparent body angle grating 30. 図33(A)〜(E)のスポットの中心のピークを拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the peak of the center of the spot of FIG. 33 (A)-(E). 実施例2のθY回転が生じたときの各スポットの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the intensity | strength change of each spot when (theta) Y rotation of Example 2 arises. 図35(A)〜(E)のスポットの中心のピークを拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the peak of the center of the spot of FIG. 35 (A)-(E). 実施例2のθz方向に回転が生じたときの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows an intensity | strength change when rotation arises in the (theta) z direction of Example 2. FIG. 図37(A)〜(E)のスポットの一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of spot of FIG. 37 (A)-(E). 実施例2のX変位のシミュレーションの検出結果を示すグラフである。6 is a graph showing a detection result of a simulation of X displacement in Example 2. 実施例2のY変位のシミュレーションの検出結果を示すグラフである。6 is a graph showing a detection result of simulation of Y displacement in Example 2. 実施例2のθ方向の回転の検出原理を示す図である。It is a figure which shows the detection principle of the rotation of (theta) Y direction of Example 2. FIG. 実施例2のX方向変位の検出結果を示すグラフである。6 is a graph showing the detection result of the displacement in the X direction in Example 2. 実施例2のY方向変位の検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing a detection result of displacement in the Y direction in Example 2. 実施例2のθxの検出結果を示すグラフである。6 is a graph illustrating a detection result of θx in Example 2. 実施例2のθYの検出結果を示すグラフである。6 is a graph showing the detection result of θ Y in Example 2. 実施例2のθz方向の検出結果を示すグラフである。6 is a graph showing a detection result in the θz direction of Example 2. 実施例3の反射面角度格子を用いた反射型検出装置90の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the reflection type detection apparatus 90 using the reflective surface angle grating | lattice of Example 3. FIG. 実施例3の反射面角度格子92のモデルを示す図である。6 is a diagram illustrating a model of a reflecting surface angle grating 92 according to Embodiment 3. FIG. 実施例3の反射型サーフェスエンコーダの光学系を示す図である。6 is a diagram illustrating an optical system of a reflective surface encoder according to Embodiment 3. FIG. 実施例3の強度分布I(x,y)のシミュレーション結果を示すグラフである。10 is a graph showing a simulation result of an intensity distribution I (x, y) of Example 3. 実施例3のX変位が生じたときの各スポットの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the intensity | strength change of each spot when X displacement of Example 3 arises. 実施例3のY変位が生じたときの各スポットの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the intensity | strength change of each spot when Y displacement of Example 3 arises. 実施例3のθx回転が生じたときの各スポットの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the intensity | strength change of each spot when the θx rotation of Example 3 arises. 図53(A)〜(E)のスポットの中心のピークを拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the peak of the center of the spot of FIG. 53 (A)-(E). 実施例3のθ回転が生じたときの各スポットの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the intensity | strength change of each spot when (theta) Y rotation of Example 3 arises. 図55(A)〜(E)の各スポットの中心のピークの拡大図を示すグラフである。It is a graph which shows the enlarged view of the peak of the center of each spot of FIG. 55 (A)-(E). 実施例3のθz回転が生じたときの強度変化を示すグラフである。It is a graph which shows an intensity | strength change when the θz rotation of Example 3 arises. 図57(A)〜(E)のスポットの一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of spot of FIG. 57 (A)-(E). 実施例3のX変位の検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing the detection result of X displacement in Example 3. 実施例3のY変位の検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing a detection result of Y displacement in Example 3. 実施例3のX変位の検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing the detection result of X displacement in Example 3. 実施例3のY変位の検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing a detection result of Y displacement in Example 3. 実施例3のθxの検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing the detection result of θx in Example 3. 実施例3のθの検出結果を示すグラフである。10 is a graph illustrating a detection result of θ Y in Example 3. 実施例3のθzの検出結果を示すグラフである。10 is a graph showing the detection result of θz in Example 3. 反射型検出装置に用いられる実施例4の光センサユニット100を示す図である。It is a figure which shows the optical sensor unit 100 of Example 4 used for a reflection type detection apparatus. 実施例4の透明体角度格子102により生成されたマルチスポットの実験データを示すグラフである。10 is a graph showing experimental data of multi-spots generated by the transparent body angle grating 102 of Example 4. 実施例4の4分割PD上で受光された受光スポットの強度分布を解析した結果を示すグラフである。10 is a graph showing the result of analyzing the intensity distribution of a light receiving spot received on a 4-split PD of Example 4. 実施例4の透明体角度格子30がX方向に相対変位(Y=0)した場合のマルチスポットの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the multi spot when the transparent body angle grating | lattice 30 of Example 4 carries out relative displacement (Y = 0) to a X direction. 実施例4の透明体角度格子30がY方向に相対変位(X=0)した場合のマルチスポットの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the multi spot when the transparent body angle grating | lattice 30 of Example 4 carries out relative displacement (X = 0) in the Y direction. 実施例4の4分割PDのX方向変位に対する出力変化をシミュレートした実験結果である。It is the experimental result which simulated the output change with respect to the X direction displacement of 4-part dividing PD of Example 4. FIG. 実施例4の4分割PDのY方向変位に対する出力変化をシミュレートした実験結果である。It is the experimental result which simulated the output change with respect to the Y direction displacement of 4 division PD of Example 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 ステージ装置
12 ベース
14 第1ステージ
16 第2ステージ
18,20,24 リニアモータ
22 透過型検出装置
28 制御装置
30,102 透明体角度格子
32 透明基板
34 発光部
34a レーザ光源(LD)
36 受光部
38 分光板
51〜59 フォトダイオード
70 反射型検出装置
74 基板
76,100 光センサユニット
78 偏向ビームスプリッタ(PBS)
90 反射型検出装置
92 反射面角度格子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Stage apparatus 12 Base 14 1st stage 16 2nd stage 18, 20, 24 Linear motor 22 Transmission type detection apparatus 28 Control apparatus 30,102 Transparent body angle grating 32 Transparent substrate 34 Light emission part 34a Laser light source (LD)
36 Photodetector 38 Spectral Plates 51-59 Photodiode 70 Reflective Detection Device 74 Substrate 76, 100 Optical Sensor Unit 78 Deflection Beam Splitter (PBS)
90 Reflective detector 92 Reflector angle grating

Claims (12)

表面に所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、
前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、
前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記基準格子を透過した前記複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、
を備えたことを特徴とする検出装置。
A reference grating having a detection surface in which concave and convex curved surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction on the surface;
A light emitting unit that is movable with respect to the reference grating and emits a plurality of parallel lights from a vertical direction of the reference grating toward the detection surface;
A light receiving unit that is provided so as to move integrally with the light emitting unit, and that has a plurality of light receiving elements that receive the plurality of parallel lights transmitted through the reference grating;
A detection device comprising:
表面に所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、
前記基準格子の裏面に形成された反射面と、
前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、
前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、
を備えたことを特徴とする検出装置。
A reference grating having a detection surface in which concave and convex curved surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction on the surface;
A reflective surface formed on the back surface of the reference grating;
A light emitting unit that is movable with respect to the reference grating and emits a plurality of parallel lights from a vertical direction of the reference grating toward the detection surface;
A light receiving unit that is provided so as to move integrally with the light emitting unit, and that has a plurality of light receiving elements that receive a plurality of parallel lights reflected from the reflecting surface;
A detection device comprising:
表面に所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、
前記検出面に形成された反射面と、
前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、
前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、
を備えたことを特徴とする検出装置。
A reference grating having a detection surface in which concave and convex curved surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction on the surface;
A reflective surface formed on the detection surface;
A light emitting unit that is movable with respect to the reference grating and emits a plurality of parallel lights from a vertical direction of the reference grating toward the detection surface;
A light receiving unit that is provided so as to move integrally with the light emitting unit, and that has a plurality of light receiving elements that receive a plurality of parallel lights reflected from the reflecting surface;
A detection device comprising:
前記発光部は、
光源と、
該光源からの光を複数の平行光に分光する分光手段と、
を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の検出装置。
The light emitting unit
A light source;
A spectroscopic means for splitting light from the light source into a plurality of parallel lights;
The detection device according to claim 1, comprising:
前記分光手段は、所定の曲率半径を有する凹曲面と凸曲面とが2次元方向に交互に形成された入射面を有することを特徴とする請求項4に記載の検出装置。   The detection device according to claim 4, wherein the spectroscopic unit has an incident surface in which concave curved surfaces and convex curved surfaces having a predetermined radius of curvature are alternately formed in a two-dimensional direction. 前記受光部は、前記複数の平行光よりも多い数の受光素子を有しており、一つの光に対して少なくとも1以上の受光素子を配したことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の検出装置。   6. The light receiving unit according to claim 1, wherein the light receiving unit has a larger number of light receiving elements than the plurality of parallel lights, and at least one light receiving element is arranged for one light. A detecting device according to any one of the above. 前記受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度に応じた検出信号が入力され、各光強度分布の変化から前記基準格子に対する前記発光部の相対的な移動量を演算する演算手段を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の検出装置。   A calculation means for inputting a detection signal corresponding to the light intensity of the plurality of parallel lights received by the light receiving element and calculating a relative movement amount of the light emitting unit with respect to the reference grating from a change in each light intensity distribution. The detection apparatus according to claim 1, wherein the detection apparatus is provided. 前記演算手段は、前記複数の受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度分布の変化に基づいて前記検出面に対する前記発光部及び受光部の相対的な傾き角度を演算することを特徴とする請求項7に記載の検出装置。   The calculation means calculates a relative inclination angle of the light emitting unit and the light receiving unit with respect to the detection surface based on a change in light intensity distribution of the plurality of parallel lights received by the plurality of light receiving elements. The detection device according to claim 7. 前記基準格子は、
透明基板と、
該透明基板の表側に設けられた第1の基準格子と、
前記第1の基準格子と180度の向きとなるように、前記透明基板の裏側に設けられた第2の基準格子と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の検出装置。
The reference grid is
A transparent substrate;
A first reference grating provided on the front side of the transparent substrate;
A second reference grating provided on the back side of the transparent substrate so as to be oriented at 180 degrees with the first reference grating;
The detection apparatus according to claim 1, further comprising:
ベースと、
該ベースに対して移動可能に設けられたステージと、
前記ステージに駆動力を付与する駆動手段と、
前記ステージの移動を検出する前記請求項1乃至9の何れかに記載の検出装置と、
前記検出装置の検出結果に応じて前記ステージが所定速度で移動するように前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするステージ装置。
Base and
A stage movably provided with respect to the base;
Driving means for applying a driving force to the stage;
The detection apparatus according to any one of claims 1 to 9, which detects movement of the stage;
Control means for controlling the drive means so that the stage moves at a predetermined speed according to the detection result of the detection device;
A stage apparatus comprising:
前記駆動手段は、一対のリニアモータであり、
前記制御手段は、前記一対のリニアモータを並進駆動することを特徴とする請求項10に記載のステージ装置。
The drive means is a pair of linear motors,
The stage device according to claim 10, wherein the control unit drives the pair of linear motors in translation.
前記請求項1乃至9の何れかに記載の検出装置を前記リニアモータの近傍に設けたことを特徴とする請求項10に記載のステージ装置。   The stage device according to claim 10, wherein the detection device according to any one of claims 1 to 9 is provided in the vicinity of the linear motor.
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