JP2610349B2 - 差動型レーザ干渉計装置 - Google Patents

差動型レーザ干渉計装置

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JP2610349B2
JP2610349B2 JP1338975A JP33897589A JP2610349B2 JP 2610349 B2 JP2610349 B2 JP 2610349B2 JP 1338975 A JP1338975 A JP 1338975A JP 33897589 A JP33897589 A JP 33897589A JP 2610349 B2 JP2610349 B2 JP 2610349B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、2軸の位置決めなどに用いられるレーザ
干渉測長システムに係り、特に第1可動体を基準にして
第2可動体の変位の測定し得る差動型レーザ干渉計装置
に関する。
(従来の技術) 2軸の位置決めシステムとして、これを独立のXステ
ージとYステージとで構成されたもがある。このような
2軸の位置決めシステムにおいて、高精度の位置決めが
要求される分野、たとえば半導体集積回路の製造装置や
工作機械などでは、その一方の軸の移動に高精度の真直
度が要求される。たとえば第3図に示すように、X軸を
理想的に移動直線とする移動に対して、曲線(1)に示
すように振れ、振れ量ystが生ずると、Xステージ上の
対象物に対して、Yステージからは相対的にY方向の変
位を生じたことになり、Xステージ上の対象物に対して
Yステージに設けられた加工手段により高精度の加工が
不可能になる。
従来このような2軸の位置決めシステムにおいて、上
記Xステージ上の対象物に対してYステージを位置決め
する手段として、XステージあるいはX,Y両ステージの
変位を各別に測定して、それらをフィードバックしてい
る。
その測定手段として第4図に示すレーザ干渉計装置に
よる方法がある。特にこの第4図は、互いに直交する方
向に移動するように配置されたX,Yステージ(2),
(3)のうち、Yステージ(3)の変位を測定する方法
を示したものである。
このYステージ(3)の変位測定は、2つの直交偏光
成分からなる2周波レーザ光(4H),(4V)、すなわち
互いに直交方向に偏光かつ周波数の異なる第1のレーザ
光(4H)(周波数FH)および第2のレーザ光(4V)(周
波数FV)を放出するレーザ光源(5)と、Yステージ
(3)に取付けられてこのYステージ(3)の測定基準
面をなす平面鏡(6)と、レーザ光源(5)と平面鏡
(6)との間に配置された干渉計(7)と、レーザ光源
(5)から放出された2周波レーザ光(4H),(4V)を
それぞれハーフミラー(8)を介して参照光として検出
する第1光電変換検出器(9a)および干渉計(7)を通
過したレーザ光を測定光として検出する第2光電変換検
出器(9b)と、これら第1、第2光電変換検出器(9
a),(9b)から出力される電気信号を演算処理する演
算回路(図示せず)とから構成されている。
その干渉計(7)は、レーザ光源(5)から放出され
る2周波レーザ光(4H),(4V)のうち、その一方のレ
ーザ光(4H)を通過させるとともに、他方のレーザ光
(4V)を平面鏡(6)に向かって曲げる偏光ビームスプ
リッタ(10)を構成する2個のプリズム(11a),(11
b)と、上記偏光ビームスプリッタ(10)により曲げら
れた他方のレーザ光(4V)の位相を90°を変化させると
ともに、平面鏡(6)により反射された他方のレーザ光
(4V)の反射光の位相を再度90°変化させるλ/4板(1
2)と、上記偏光ビームスプリッタ(10)を通過した一
方のレーザ光(4H)と上記偏光ビームスプリッタ(10)
により曲げられる他方のレーザ光(4V)の反射光を第2
検出器(9b)に導く一対のキューブコーナ(13)とから
構成されている。
したがって、上記レーザ干渉計装置では、干渉計
(7)を介して第2検出器(9b)に導かれるレーザ光
(4H),(4V)のうち、一方のレーザ光(4H)は、周波
数変化を受けることなく周波数LHのまま導かれるが、他
方のレーザ光(4V)は、平面鏡(6)の移動によってΔ
FVの周波数変化を受け、さらにレーザ光(4V)の反射光
は、平面鏡(6)の移動とともに2往復して、±2ΔFV
の周波数変化を受け、FV±2ΔFVに変調される。
演算回路では、上記第1検出器(9a)で検出される参
照光としての2周波レーザ光(4H),(4V)の周波数F
H,FVからビート周波数信号(基準信号) FH−FV を算出するとともに、第2検出器(9b)で検出される測
定光としての一方のレーザ光(4H)の周波数FHと他方の
レーザ光(4V)の反射光の周波数FV±2ΔFVとの差(測
定信号) FH−(FV±2ΔFV) を算出し、さらに、その基準信号と測定信号とから速度
差信号±2ΔFVを算出し、この速度差信号±2ΔFVを積
分してYステージ(3)の変位量を算出している。
(発明が解決しようとする課題) 従来、2軸の位置決めシステムにおいて、その一方の
軸の移動に高精度の真直度が要求される場合、たとえば
Xステージ上の対象物に対してYステージを位置決めす
る手段として、X,Yステージをそれぞれその変位を各別
にレーザ干渉計装置により測定して、それらをフィード
バックすることによりおこなわれている。しかし、この
ような方法では、2台のレーザ干渉計が必要であり、測
定結果の演算処理が複雑になる。
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであ
り、2軸の位置決めシステムなどにおける一方の軸の振
れを、その振れる面を基準面として他方の軸の変位を測
定することにより、一方の軸の振れを高精度に補正する
ことができるレーザ干渉計装置を構成することを目的と
する。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 差動型レーザ干渉計装置において、そのレーザ干渉計
装置を、互いに直交方向に偏光かつ周波数が異なる第1
のレーザ光および第2のレーザ光を放出するレーザ光源
と、このレーザ光源から放出された第1のレーザ光およ
び第2のレーザ光が入射され、その第1のレーザ光を第
1の被測定物に照射し、この第1の被測定物により反射
された第1のレーザ光およびレーザ光源から入射した第
2のレーザ光を出射する第1干渉計と、この第1干渉計
から出射した第1のレーザ光および第2のレーザ光が入
射され、その第2のレーザ光を第2の被測定物に照射
し、この第2の被測定物により反射された第2のレーザ
光および第1干渉計から入射した第1のレーザ光を出射
する第2干渉計と、レーザ光源から放出された第1のレ
ーザ光および第2のレーザ光の少なくとも一部を受光し
て第1のレーザ光と第2のレーザ光との周波数の差を基
準信号として検出する第1光電変換器と、第2干渉計か
ら出射した第1のレーザ光および第2のレーザ光を受光
して第1のレーザ光と第2のレーザ光との周波数の差を
測定信号として検出する第2光電変換器と、その基準信
号と測定信号との差から第1の被測定物と第2の被測定
物との相対変位置を算出する演算回路とから構成した。
(作用) 上記のように構成すると、従来第1、第2可動体の変
位を各別に測定していたのに対し、第1可動体を基準と
して、第2可動体の変位(Δx−Δy)を測定すること
ができ、たとえば第2可動体上の対象物に対して第2可
動体を位置決めする場合に、X軸のY方向への変位を補
償して高精度の位置決めが可能となる。
(実施例) 以下、図面を参照してこの発明を実施例に基づいて説
明する。
第1図にその一実施例である差動型レーザ干渉計装置
を示す。このレーザ干渉計装置は、2つの直交偏光成分
からなる2周波レーザ光(4H),(4V)、すなわち互い
に直交方向に偏光かつ周波数の異なる第1のレーザ光
(4H)(周波数FH)および第2のレーザ光(4V)(周波
数FV)を放出するレーザ光源(5)と、X方向に移動可
能なXステージ(2)に取付けられて、このXステージ
(2)(第1可動体)の測定基準面をなす第1平面鏡
(6a)、およびY方向に移動可能なYステージ(3)
(第2可動体)に取付けられて、このYステージ(3)
の測定基準面をなす第2平面鏡(6b)からなる2つの反
射鏡と、レーザ光源(5)と第1平面鏡(6a)との間に
第1平面鏡(6a)に対向して配置された第1干渉計(2
0)と、第2平面鏡(6b)に対向して配置された第2干
渉計(21)と、第1干渉計(20)と第2干渉計(21)と
の間に配置され、第1干渉計(20)から出射されるレー
ザ光を第2干渉計(21)に導く反射鏡(22)と、レーザ
光源(5)と第1干渉計(20)との間に配置されたハー
フミラー(23)と、このハーフミラー(23)により反射
される2周波レーザ光(4H),(4V)を参照光として検
出する第1光電変換検出器(9a)、および第2干渉計
(21)から出射されるレーザ光を測定光として検出する
第2光電変換検出器(9b)からなる光電変換検出装置
と、これら第1および第2光電変換検出器(9a),(9
b)で光電変換された電気信号を演算処理する第2図に
示す演算回路(24)とから構成されている。
そのうち、第1干渉計(20)は、ハーフミラー(23)
を通過してこの第1干渉計(20)に達する2周波レーザ
光(4H),(4V)のうち、一方にレーザ光(4H)(第1
のレーザ光)を通過させ、他方のレーザ光(4V)(第2
のレーザ光)を曲げる一対のプリズム(26a),(26b)
からなる偏光ビームスプリッタ(27)と、この偏光ビー
ムスプリッタ(27)を通過して第1平面鏡(6a)に向か
う一方のレーザ光(4H)、および第1平面鏡(6a)で反
射された一方のレーザ光(4H)の反射光が通過するよう
に配置されたλ/4板(28a)と、このλ/4板(28a)を両
側から挟むように偏光ビームスプリッタ(27)の両側に
配置された一対のキューブコーナ(29a),(29b)とか
らなる。
第2干渉計(21)は、上記第1干渉計(20)と一対の
キューブコーナの配置が異なるのみで、その他は同様の
構造である。すなわち、上記第1干渉計(10)出射後、
反射鏡(22)による反射された一方のレーザ光(4H)の
反射光および他方のレーザ光(4V)のうち、一方のレー
ザ光(4H)の反射光を通過させ、他方のレーザ光(4V)
を曲げる一対のプリズム(31a),(31b)からなる偏光
ビームスプリッタ(32)と、この偏光ビームスプリッタ
(32)を通過して第2平面鏡(6b)に向かう他方のレー
ザ光(4V)、および第2平面鏡(6b)で反射された他方
のレーザ光(4V)の反射光が通過するように配置された
λ/4板(28b)とを有し、キューブコーナ(33a),(33
b)は、その偏光ビームスプリッタ(32)を構成する一
方のプリズム(31b)の隣接2辺に配置されている。
また、演算回路(24)は、第2図に示すように、第
1、第2光電変換検出器(9a),(9b)から得られる参
照光および測定光の電気信号を処理するパルス変換器
(34)と、このパルス変換器(34)を介して得られる信
号から一方のレーザ光(4H)の反射光と他方のレーザ光
(4V)の反射光との速度差信号を算出し、その速度差信
号を積分して、Xステージ(2)とYステージ(3)と
の相対変位置を算出する積分演算器(35)とから構成さ
れている。
上記のように構成されたレーザ干渉計装置では、レー
ザ光源(5)から放出された2つの直交偏光成分からな
る2周波レーザ光(4H),(4V)の一部は、ハーフミラ
ー(23)により反射され、参照光として第1光電変換検
出器(9a)により検出され、光電変換される。一方、こ
のハーフミラー(23)を通過して直進するレーザ光(4
H),(4V)は、第1干渉計(20)に入射する。
この第1干渉計(20)では、偏光ビームスプリッタ
(27)により、上記2周波レーザ光(4H),(4V)のう
ち、一方のレーザ光(4H)を通過させ、他方のレーザ光
(4V)を曲げる。この偏光ビームスプリッタ(27)によ
り曲げられた他方のレーザ光(4V)は、一方のキューブ
コーナ(29a)で反射されたのち、偏光ビームスプリッ
タ(27)により曲げられ、この第1干渉計(20)から出
射される。一方、偏光ビームスプリッタ(27)を通過し
て直進する一方のレーザ光(4H)は、λ/4板(28a)を
通過するとき、位相が90°回転し、Xステージ(2)に
取付けられた第1平面鏡(6a)に達し、この第1平面鏡
(6a)により反射される。その反射光は、再びλ/4板
(28a)を通過する。このとき、この一方のレーザ光(4
H)の反射光は、90°位相の異なった直線偏光となる。
その後、この一方のレーザ光(4H)の反射光は、偏光ビ
ームスプリッタ(27)により曲げられ、他方のキューブ
コーナ(29b)で反射され、さらに偏光ビームスプリッ
タ(27)により曲げられて、再度λ/4板(28a)を通過
して第1平面鏡(6a)に達し、この第1平面鏡(6a)で
反射され再再度λ/4板(28a)を通過する。この反射光
は、上記したように偏光角が90°変化しているので、そ
の後、偏光ビームスプリッタ(27)を透過して直進し、
第1干渉計(20)から出射される。
この場合、Xステージ(2)の移動により第1平面鏡
(6a)に動きがあると、上記第1干渉計(20)から出射
される一方のレーザ光(4H)の反射光は変調される。そ
の第1平面鏡(6a)に動きに基づく周波数変化をΔFHと
すると、第1平面鏡(6a)に対して2往復する間に±2
ΔFHの周波数変化を受ける。したがって、第1干渉計
(20)から出射される一方のレーザ光(4H)(反射光)
の周波数はFH±2ΔFHとなり、他方のレーザ光(4V)
は、変調されることなく、周波数FVのまま出射される。
この第1干渉計(20)から出射される各レーザ光(4
H),(4V)は、反射鏡(22)で反射され、第2干渉計
(21)に導かれる。
第2干渉計(21)では、上記第1干渉計(20)の動作
原理と同様の原理により、既に周波数変化(FH±2ΔF
H)を受けている一方のレーザ光(4H)については、偏
光ビームスプリッタ(32)を通過して直進し、一方のキ
ューブコーナ(33a)で反射され、再度偏光ビームスプ
リッタ(32)を通過して直進し、第2干渉計(21)から
出射される。一方、他方のレーザ光(4V)は、偏光ビー
ムスプリッタ(32)で曲げられ、λ/4板(28b)を通過
してYステージ(3)に取付けられた第2平面鏡(6b)
に達する。この他方のレーザ光(4V)は、第2平面鏡
(6b)により反射され、その反射光は、再びλ/4板(28
b)、偏光ビームスプリッタ(32)を通過して直進し、
その後、他方のキューブコーナ(33b)で反射され、再
度偏光ビームスプリッタ(32)、λ/4板(28b)を通過
し、第2平面鏡(6b)で反射され、再再度λ/4板(28
b)通過し、偏光ビームスプリッタ(32)により曲げら
れて第2干渉計(21)から出射される。
この場合、Yステージ(3)の移動により第2平面鏡
(6b)に動きがあると、この第2干渉計(21)から出射
されるレーザ光(4H),(4V)は、偏光ビームスプリッ
タ(32)で曲げられることなく直進して第2干渉計(1
1)から出射される一方のレーザ光(4H)については、
この第2干渉計(21)で周波数変化を受けることなく周
波数FH±2ΔFHのまま出射される。しかし、他方のレー
ザ光(4V)については、第2平面鏡(6b)に対して2往
復する間に±2ΔFVの周波数変化を受け、第2干渉計
(21)から出射される他方のレーザ光(4V)(反射光)
の周波数はFV±2ΔFVとなる。
この第2干渉計(21)から出射されるレーザ光(4
H),(4V)は、測定光として第2光電変換検出器(9
b)により検出され、光電変換される。
光電変換検出装置では、上記レーザ光源(5)から放
出された2周波レーザ光(4H),(4V)を参照光として
検出する第1光電変換検出器(9a)から周波数FH,FV、
および上記第2干渉計211)から出射されるレーザ光(4
H),(4V)の反射光を測定光として検出する第2光電
変換検出器(9b)から周波数FH±2ΔFH,FV±2ΔFV
を、第2図に示した演算回路(24)のパルス変換器(3
4)において、ビート周波数信号(基準信号) FH−FV が、またFH±2ΔFH,FV±2ΔFVから、それらの差(測
定信号) (FH±2ΔF)−(FV±2ΔFV) を算出する。さらに、その基準信号と測定信号とから速
度信号 (±2ΔF)−(2ΔFV) を算出する。この速度信号は、第1および第2平面鏡
(6a),(6b)、すなわちXステージ(2)とYステー
ジ(3)との相対的な速度変動に対応した信号である。
したがって、この速度信号を積分演算器(35)に出力し
て積分することになり、Xステージ(2)とYステージ
(3)との相対変位量 Δx−Δy が求められる。
したがって、従来XステージおよびYステージの変位
を各別に測定してXステージとYステージとの相対変位
を求めていたのに対し、上記差動型レーザ干渉計装置を
用いれば、Xステージ(2)を基準面として、この面に
対するYステージ(3)の変位(Δx−Δy)を求める
ことができ、その変位により、たとえばXステージ
(2)上の対象物に対してYステージ(3)を位置決め
する場合に、X軸のY方向移動誤差すなわち変位を補償
することができ、高精度の位置決めが可能となる。
なお、上記実施例では、レーザ干渉計装置の光源とし
て、2周波レーザ光を放出するレーザ光源を用いたが、
光源としては、他のレーザ光源でもよい。
また、上記実施例は、X軸を基準としてY軸の変位を
測定する場合について説明したが、同時にY軸を基準と
してX軸の変位を測定するようにすることもでき、さら
に、上記実施例にY軸を基準としてX軸の変位を測定す
る系を追加して、同時にX軸の変位を測定するようにす
ることもできる。
[発明の効果] レーザ干渉計装置を、互いに直交方向に偏光かつ周波
数が異なる第1のレーザ光および第2のレーザ光を放出
するレーザ光源と、このレーザ光源から放出された第1
のレーザ光および第2のレーザ光が入射され、その第1
のレーザ光を第1の被測定物に照射し、この第1の被測
定物により反射された第1のレーザ光およびレーザ光源
から入射した第2のレーザ光を出射する第1干渉計と、
この第1干渉計から出射した第1のレーザ光および第2
のレーザ光が入射され、その第2のレーザ光を第2の被
測定物に照射し、この第2の被測定物により反射された
第2のレーザ光および第1干渉計から入射した第1のレ
ーザ光を出射する第2干渉計と、レーザ光源から放出さ
れた第1のレーザ光および第2のレーザ光の少なくとも
一部を受光して第1のレーザ光と第2のレーザ光との周
波数の差を基準信号として検出する第1光電変換器と、
第2干渉計から出射した第1のレーザ光および第2のレ
ーザ光を受光して第1のレーザ光と第2のレーザ光との
周波数の差を測定信号として検出する第2光電変換器
と、基準信号と測定信号との差から第1の被測定物と第
2の被測定物との相対変位量を算出する演算回路とから
構成すると、従来第1、第2可動体の変位を各別に測定
していたのに対し、第1可動体を基準として、第2可動
体の変位(Δx−Δy)を測定することができ、たとえ
ば第2可動体上の対象物に対して第2可動体を位置決め
する場合、X軸のY方向への変位を補償して高精度に位
置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例である差動形レーザ干渉計
装置の構成を示す図、第2図はその演算回路の構成を示
す図、第3図は2軸の位置決めシステムにおけるX軸の
振れを説明するための図、第4図は従来のレーザ干渉計
装置の構成を示す図である。 2…Xステージ、3…Yステージ 4H,4V…2周波レーザ光 5…レーザ光源、6a…第1平面鏡 6b…第2平面鏡、9a…第1光電変換検出器 9b…第2光電変換検出器 20…第1干渉計、21…第2干渉計 23…ハーフミラー、24…演算回路 27…偏光ビームスプリッタ 28a,28b…λ/4板 29a,29b…キューブコーナ 32…偏光ビームスプリッタ 33a,33b…キューブコーナ 34…パルス変換器、35…積分演算器

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに直交方向に偏光かつ周波数が異なる
    第1のレーザ光および第2のレーザ光を放出するレーザ
    光源と、 このレーザ光源から放出された上記第1のレーザ光およ
    び第2のレーザ光が入射され、上記第1のレーザ光を第
    1の被測定物に照射し、この第1の被測定物により反射
    された上記第1のレーザ光および上記レーザ光源から入
    射した上記第2のレーザ光を出射する第1干渉計と、 この第1干渉計から出射した上記第1のレーザ光および
    上記第2のレーザ光が入射され、上記第2のレーザ光を
    第2の被測定物に照射し、この第2の被測定物により反
    射された上記第2のレーザ光および上記第1干渉計から
    入射した上記第1のレーザ光を出射する第2干渉計と、 上記レーザ光源から放出された上記第1のレーザ光およ
    び第2のレーザ光の少なくとも一部を受光して上記第1
    のレーザ光と第2のレーザ光との周波数の差を基準信号
    として検出する第1光電変換器と、 上記第2干渉計から出射した上記第1のレーザ光および
    上記第2のレーザ光を受光して上記第1のレーザ光と上
    記第2のレーザ光との周波数の差を測定信号として検出
    する第2光電変換器と、 上記基準信号と上記測定信号との差から上記第1の被測
    定物と上記第2の被測定物との相対変位置を算出する演
    算回路と を具備することを特徴とする差動型レーザ干渉計装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100431706B1 (ko) * 2001-08-11 2004-05-17 한국표준과학연구원 2 주파수 레이저 간섭계에서의 길이 측정을 위한 위상각측정방법 및 비선형 오차 보상방법 그리고 이를 이용한길이 측정을 위한 위상각 측정방법 및 측정 시스템

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JPH03199905A (ja) 1991-08-30

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