JP2808136B2 - 測長方法及び装置 - Google Patents

測長方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を利用して物体の変位及び位置を
精密に測定する測長方法及び装置に関するもので、半導
体露光装置のステージ制御等に好適なものである。
〔従来の技術〕
従来、半導体露光装置のステージ制御用測長器には、
ステージ上に取り付けたミラーの移動に伴なう、光周波
数のドップラーシフトを利用して移動距離を測定する、
いわゆる２波長レーザ干渉測定器が公知である。これを
第１の従来例と呼ぶ。
第８図にこの従来例の測定原理を説明する為の構成図
を示す。
同図に於いて、１は光源であるところの二周波ゼーマ
ンレーザ発振器、２はビームスプリッタ、３は偏光ビー
ムスプリッタとコーナーキューブより成る干渉計ユニッ
ト、４はλ/4板、５は平板反射ミラー、6a,6bは偏光
板、7a,7bはフォトディテクタ、8a,8bは正弦波信号をパ
ルス列に変換するパルスコンバータ、９はパルスの加減
算を行なうアップダウンカウンタ、10はステージであ
る。
上記構成に於て、二周波ゼーマンレーザ発振器１より
射出した２つの光ＰおよびＱは、それぞれ周波数f1,f2
の電磁波で互いに直交する直線偏光である。光P,Qはビ
ームスリッタ２で２分され、一方の折り曲げられた方は
偏光板6aの作用で干渉し、フォトディテクタ7aでf1−f2
のビート信号として検出される。これを参照信号とす
る。
他方は直進して干渉計ユニット３に入射し、偏光ビー
ムスプリッタの作用により、光Ｐと光Ｑに分割されて、
光Ｑは干渉計ユニット３の内部だけを通過して射出し、
光Ｐはステージ10上に載置した平板反射ミラー５で２回
反射して射出し、光P,Qは偏光板6bの作用で干渉しフォ
トディテクタ7bでやはりf1−f2のビート信号として検出
される。フォトディテクタ7a,7bで検出されたビート信
号は、それぞれパルスコンバータ8a,8bにおいてパルス
列に偏光され、アップダウンカウンタ９においてそのパ
ルス数の差がカウントされる。
この状態に於てステージ10が光軸方向に速度ｖで移動
すると、ステージ10上のミラー５で反射されている光Ｐ
は１回の反射当り のドップラーシフトを受ける。同図の構成では２回反射
しているので２Δｆのドップラーシフトを受けた光がフ
ォトディテクタ7bに入射することになり、フォトディテ
クタ7bで検出される信号はf1−f2±２Δｆと変化する。
この間に、フォトディテクタ7aで検出される信号はf1−
f2で変化しないから、結局アップダウンカウンタ９の出
力として±２Δｆが得られ、これに光ｐの波長を掛け合
わせるとステージ10の移動量が測定されたことになる。
一方特開昭62−135703及び特開昭62−204103に開示さ
れているように、多波長の光源を用いてアブソリュート
な位置及び変位を測定する方法が考えられている。これ
を第２の従来例と呼ぶ。この方法では、１つの波長λ１
によって得られる干渉縞の位相φ１は、干渉計の光路差
をｌとして ｌ＝（２πＮ＋φ１）λ1/2π ……（２） N:自然数 の関係があることから、いくつかの波長λ2,λ３…で位
相差φ2,φ３…を測定して未知の自然数Ｎのとり得る範
囲を限定したゆき、最終的にＮを一意に決定することで
アブソリュートな位置ｌを求めている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記第１の従来例では、基準パルスと
測定との差を積分して移動距離を測定するため、一瞬で
もレーザ光を遮ると測定不能となるという欠点があっ
た。また、リセットをかけた地点からの変位量しか測れ
ないため、例えばステージの制御には別途原点センサを
設ける必要があり、ステージシステムが複雑になるとい
う欠点があった。さらに、基本的に測定光の波長の1/2
又は1/4（光学系による）ステージが移動する毎にパル
スが発生するので、より高分解能の測定をするためには
電気的にパルスを分割する手段に頼っていたが、パルス
の分割精度から考えてλ/256〜λ/512（λ：測定光の波
長）程度が限界である。
一方、第２の従来例では、アブソリュートの測定が行
なえ、第１の従来例の欠点は補なわれるものの、測定が
複雑であるために、ステージの高速移動には追従できな
いという問題があった。
本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑
み、簡便な構成において絶対位置の測定と高速変位の測
定とを正確に実行できる方法及び装置を提供することに
ある。
［課題を解決するための手段］ 上述の目的を達成するための本発明の測長方法は、互
いに異なる周波数の２つのレーザ光の光束対を一方を被
測定物体に照射し他方を参照となる光路を経由させた後
互いに干渉させてビート信号を得る行程を、前記光束対
の周波数を変えて複数実行し、各行程で得られたビート
信号の位相の比較より前記被測定物体のアブソリュート
な位置を決定するアブソリュート位置測定と、該アブソ
リュート位置測定と同じ光路を用いて一方を被測定物体
に照射し他方を参照となる光路を経由させた互いに異な
る周波数の２つのレーザ光の光束対を互いに干渉させて
得られるビート信号より前記被測定物体に対してインク
リメンタルな変位測定を行うインクリメンタル測定と、
を実行することを特徴とする。
又、上述の目的を達成するための本発明の測長装置
は、互いに異なる周波数の２つのレーザ光の光束対の一
方を被測定物体に照射し他方を参照となる光路を経由さ
せた後互いに干渉させるように導く干渉光学系と、ビー
ト信号の位相の比較より前記被測定物体のアブソリュー
トの位置を決定するための複数のビート信号を得るべ
く、前記干渉光学系に互いに異なる周波数の２つのレー
ザ光の光束対を入射させる行程を光束対の周波数を変え
て複数実行するためのアブソリュート位置測定と、前記
アブソリュート位置測定系と同じ光路を用いて前記干渉
光学系より得られる互いに異なる周波数の２つのレーザ
光の光束対を互いに干渉させて得られたビート信号よ
り、前記被測定物体に対するインクリメンタルな変位測
定用の信号を得るためのインクリメンタル測定系と、を
有することを特徴とする。
〔実施例〕
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
実施例１ 第１図は、本発明の第１の実施例を示し、同図に於
て、11aは波長λ１（周波数f1）のコヒーレント光を発
振する半導体レーザ、11は波長λ２（周波数f2）のコヒ
ーレント光を発振する半導体レーザ、２はビームスプリ
ッタ、101は光アブソーバー、31はビームスプリッタ、1
02は45゜ミラー、103はλ/2板、104aは周波数F1で駆動
されるAO変調器、104bは周波数F2で駆動されるAO変調
器、105は偏光ビームスプリッタ、106はλ/4板、107は
コーナーキューブ、108はλ/4板、５はステージ上に取
り付けられた平板ミラー、10はステージ、109は波長λ
１近傍の光を反射し、波長λ２近傍の光を透過させる波
長選択ミラー、61a,61bは偏光板、71a,71bはフォトディ
テクタ、151a,151bはそれぞれ半導体レーザ11a,11bに流
入する電流を一定に保つ電流制御回路、152a,152bはそ
れぞれ半導体レーザ11a,11bに電力を供給する電源、153
はDC電流にAC電流を混合するミキサー回路、154は半導
体レーザ11aをAC変調するための発振器（周波数fm）、1
55は半導体レーザ11a,11bの温度を一定に保つ温調装
置、156は半導体レーザ11aを周波数変調するかしないか
を選択するスイッチ、181a、181bはそれぞれAO変調器10
4a,104bを駆動するための発振器、182は２つの周波数を
混合してその差周波数を出力するミキサー、183a,183b
はそれぞれフォトディテクタ71a,71bの出力信号とミキ
サー182の参照信号とを比較して位相差を電圧に変換す
る位相−電圧変換器、184は２つの電圧の差を計算する
差動アンプである。
上記構成において、半導体レーザ11aおよび11bより射
出した光は共に等しい方向の直線偏光状態でビームスプ
リッタ２に入射し、直交する２方向に分離されて射出す
る。このうち光アブソーバ101に向かった光は吸収され
熱エネルギーとなる。一方、同図右方へ向かった光はビ
ームスプリッタ31に入射し、さらに右方に向かう光と同
図下方へ向かう光とに分離される。右方に向かう光はAO
変調器104aによって周波数シフトを受け、周波数f1＋F1
及びf2＋F1の光となって偏光ビームスプリッタ105に入
射し、λ/4板106、コーナーキューブ107、そして再びλ
/4板106を通って偏光ビームスプリッタ105に戻るが、こ
の時、偏光角が90゜回転しているのでその後、紙面下方
へ射出する。一方、ビームスプリッタ31より下方へ向か
った光は45゜ミラー102で折り曲げられ、AO変調器104b
によって周波数シフトを受けて周波数f1＋F2およびf2＋
F2の光となる。そして、λ/2板103で偏光角を90゜回転
させられ、その状態で偏光ビームスプリッタ105に入射
し、λ/4板108を通過し、平板ミラー５で反射され、再
びλ/4板108を通って偏光角を90゜回転させられてから
偏光ビームスプリッタ105に戻り、反射されて紙面下方
で射出する。
偏光ビームスプリッタ105から射出した周波数f1＋F1,
f1＋F2,f2＋F2の４つの光は、波長選択ミラー109の作用
により、周波数f1＋F1とf1＋F2の光は反射されてから偏
光板61aの作用で干渉し、フォトディテクタ71aでそのビ
ート信号F1−F2が検出され、周波数f2＋F1とf2＋F2の光
は透過して偏光板61bの作用で干渉し、フォトディテク
タ71bでそのビート信号F1−F2が検出される。
フォトディテクタ71a,71bで検出されたビート信号F1
−F2は、AO変調器の駆動発振器181a及び181bの周波数F1
及びF2をミキサー182で混合した出力F1−F2との間で位
相−電圧変換器183a,183bによって位相差が測定され、
それが出力する位相差φ1,φ２が差動アンプ184に入力
されてΔφ＝φ２−φ３が出力される。このとき、差動
アンプ184に入力される位相差φ1,φ２の信号のうち一
方は別途出力として導出される。
一方、光源である半導体レーザ11a,11bは、測定精度
を保つ為に発振周波数の安定化を行なう必要があり、精
密な温調装置155によって温度が0.001℃程度に保たれる
と共に、注入電流を一定に保つ電流制御回路151a,151b
により電流は電源152a,152bに変動があっても一定に保
たれる。
半導体レーザ11a,11bのいずれか一方（例えば11a）は
発振周波数FMの発振器154とミキサー153の作用により電
流が変調注入可能となっており、半導体レーザの発振周
波数と注入電流との間にはある範囲（発振波長にして0.
05nm程度）に於て比例関係があることから、周波数変調
がかけられるように構成されている。周波数変調をかけ
るか否かは選択スイッチ156のオン・オフにより高速に
切り換えられるようにしてある。
次に、以上述べた構成において絶対距離を広い測定範
囲で高精度に測定する方法について説明する。
まず、任意の位置において、絶対位置を測定する為
に、周波数変調選択スイッチ156をオンすると、半導体
レーザ11aは周波数fmで注入電流が変化し、これに伴う
発振周波数変化巾±Δf1のFM変調信号を発振する。この
光はビームスプリッタ２およびビームスプリッタ31を経
由して、一方はAO変調器104aに入射し、周波数F1のシフ
トを受けて参照光となる。他方は、AO変調器104bに入射
し、周波数F2のシフトを受けて測定光となり、前記参考
光との干渉によりビート周波数F1−F2がフォトディテク
タ71aによって検出され、基準信号との位相差φ１が出
力される。
ところが、発振周波数が±Δf1の巾で変調されている
ため、位相差信号φ１は発振器154の周波数fmで変動す
る。この変動巾Δφ１は干渉計の光路差ｌと直接関係が
ある。すなわち であり、（３）式に（λ１＋Δλ1/2）をかけ、（４）
式に（λ１−Δλ1/2）をかけて、両式の差をとると、 ２πｌ＝｛２π（n1−n2）＋Δφ１｝・λeq1 ……
（５） 但し、Δφ１＝φ′−φ″ λep1 ＝λ1 2/Δλ１ n1,n2:自然数 となる。したがって、先述したように、半導体レーザの
発振波長が比例関係を保って変動する巾は0.05nm程度以
下なので、例えば、λ１＝680nm、Δλ１＝0.02nmとな
るようにすれば、 λeq1＝λ1 2/Δλ１＝23.0mm となる。ｌの測定範囲がこの範囲であれば、即ち測定す
べきｌの値の最大変動巾が23.0nm以下である様に設定し
てあれば、n1−n2は一意に決定され、結局、Δφ１を測
定する事により、光路差ｌが測定されることになる。
しかし、この時の測定精度は10〜20μｍ程度しかな
い。そこで次に、周波数変調選択スイッチ156を高速に
オフし、今度は、半導体レーザ11aの発振する波長λ１
と半導体レーザ11bの発振する波長λ２とを用いて前述
するようにそれぞれ独立に位相差を測定し、その差Δφ
を出力させる。この出力Δφも干渉計の光路差ｌと直接
関係がある。すなわち、 ２πｌ＝（2m1π＋φ１）・λ１ …（６） ２πｌ＝（2m2π＋φ２）・λ２ …（７） であり、（６）式にλ２をかけ、（７）式にλ１をかけ
て両式の差をとると ２πｌ＝｛２（m1−m2）π＋Δφ１｝・λeq2 ……（８） 但し、Δφ ＝φ１−φ２ λeq2 ＝λ１・λ2/|λ１−λ2| m1,m2:自然数 となる。したがって例えば、λ１＝680nm、λ２＝675nm
の光を使えば、 λeq2＝λ１・λ2/（λ１−λ２）＝91.8μｍ となり、この範囲であればm1−m2は一意に決定される。
そして、既に先に述べた周波数変調による測定で10〜20
μｍの測定精度で光路差ｌが測定されているため、m1−
m2は一意に決定されることになり、この時の測定精度は
約0.1μｍとなる。
さらにこの状態で、半導体レーザ11aの位相差データ
φ１を用いると、光路差ｌは（６）式で表わされるか
ら、λ１＝680nm（＝0.68μｍ）に対し、前記測定精度
が0.1μｍであるため、m1も一意に決定することができ
て光路差ｌを約1nmの精度で測定できることになる。
第２図は本発明の第１実施例の全体構成図を示す。
同図に於て、82a,82bは正弦波をパルス列に変換する
高速パルスコンバータ、92は入力されるパルス数の加減
算を行なうアップダウンカウンタ、183cはロックインア
ンプであり、その他の要素は第１図で説明したものであ
る。
同図に於いて、アブソリュートな位置の検出方法は第
１図で説明した方法と全く同じであるが、本実施例で
は、一旦検出したアブソリュートな位置からのステージ
10の高速な移動に追従可能なように、高速パルスコンバ
ータ82a,82bとアップダウンカウンタ92を備え、インク
リメンタルな測長を可能にしている。
実施例２ 第３図は、本発明の第２の実施例を示す。
同図に於て、157は発振器154のゲインを連続的又は不
連続的に切り換える為のゲイン調整回路である。その他
の要素は第１の実施例と全く同じである。
本構成に於て、アブソリュートの位置を測定する方法
は、ほぼ第１の実施例で説明した方法と同じである。即
ち、まず周波数変調選択スイッチ156をオンすることに
より、半導体レーザ11aはFM変調を受け、アブソリュー
トな位置を粗く測定するのであるが、発振器154のゲイ
ンが一定だと、上記（３），（４）式中のΔλ１の大き
さは一定であり、従って、例えば、第１の実施例で説明
したように、Δλ１＝0.02nmの場合、λeq＝23.1mmとな
って測定範囲が短くなってしまう。そこで、本実施例は
で、発振器154のゲインを調整するゲイン調整回路157に
より、例えば、Δλ１＝0.02nmに相当する注入電流振巾
を与えるゲインンK1とΔλ１＝0.0001nmに相当する注入
電流振巾を与えるゲインK2とを切換えられるようにして
おくことによって、ゲインK1のときはλeq＝λ1 2/Δλ
１＝4.6m、ゲインK2のときはλeq＝λ1 2/Δλ１＝23.1m
mとすることができる。したがって、新しい光源を用意
することなく、より長い測定範囲をカバーすることがで
きる。
ゲインの切換え値は２値以上いくらでも良い為、原理
的には無限に長い測定範囲がカバーできる。但し、実際
には、光源である半導体レーザーの可干渉距離によって
高精度な測定範囲は限られる。
実施例３ 第４図は、本発明の第３の実施例を示す。
同図に於て、42はビームスプリッタ、71cはフォトデ
ィテクタ、151cは半導体レーザ11bへの注入電流制御回
路、201はメタン、ヨウ素等のガスを封入したガスセル
である。これらを付加したことと、位相出力が半導体レ
ーザ11bの信号と基準信号との位相差φ２が出力される
ように変更したこと以外は、第１の実施例と全く同じ構
成である。本実施例は、より高い精度で測長する必要が
ある場合の構成例である。
一般に、半導体レーザの波長安定化は先述したよう
に、温度制御と流入電流を一定に保つ制御を行なうこと
により簡易に行なわれているが、より厳密な安定度、例
えば10-8〜10-10の波長安定性を得る為には何らかの物
理的基準を用いてフィードバック制御をかけることが望
ましい。
本実施例は、その物理的基準としてメタン、ヨウ素等
のガスの分子吸収線を利用した例である。
第４図に於て、半導体レーザ11bより射出した光はビ
ームスプリッタ42により光の一部がガスセル201を透過
してフォトダイオード71cで検出される。ガスセル201に
は半導体レーザ11bの発振波長に近い分子吸収線を持つ
ガスが封入されているため、その波長近傍で鋭く光強度
が変化する。従って、フォトディテクタ71cの出力を利
用して注入電流制御回路151cをフィードバック制御する
ことにより、半導体レーザ11bの波長を非常に高い安定
性で維持することができる。例えば、波長安定性が10-8
の場合、1mの距離が10nmの正確度で測定できることにな
り、超高精度の絶対距離測長器が実現できる。
ここでは、物理的記述としてガスセルを用いたが、要
求精度に応じて、エタロン板や波長選択フィルタ等が使
用可能である。
実施例４ 第５図は本発明の第４の実施例を示す。
同図に於いて、201は光源であるところの基本発振波
長λ０の半導体レーザ、202a,202bは偏光ビームスプリ
ッタ、203a,203b,203cは折り曲げミラー、204a,204bは
それぞれ周波数F1,F2のシフトの入射光に与えるAO変調
器、205は偏光ビームスプリッタ、206は固定コーナーキ
ューブ、207は可動コーナーキューブ、208は偏光板、20
9はフォトダイオード、210はステージ装置、221a,221b
はそれぞれ周波数F1,F2を発振する発振器、222は２つの
周波数の信号を混合して差の周波数の信号を出力する周
波数ミキサ、223は２つの同期的信号の位相差を電圧に
変換して出力する位相−電圧変換器、224a,224bは正弦
波状の信号をパルス列に高速に変換する高速パルスコン
バータ、225は入力パルス数の加減算を行なうアップダ
ウンカウンタ、231は半導体レーザ201への注入電流源を
選択するスイッチ、232は半導体レーザ201の発振波長が
連続して変化する範囲で注入電流を変調する変調器、23
3は半導体レーザ201の発振波長が不連続に変化する範囲
で注入電流を変化させる波長選択回路、234は半導体レ
ーザ201の発振波長が一定になるように注入電流を制御
する電流制御回路、235は半導体レーザ201への供給電
源、240は半導体レーザ１の温度を一定に保つ制御をす
る温調装置である。
上記構成に於て、半導体レーザ201より射出したコヒ
ーレント光は、45゜方向の直線偏光状態で偏光ビームス
プリッタ202aに入射し、図面に水平な偏光成分と図面に
垂直な偏光成分とに分割される。
図面に水平な偏光成分の光は直進し、AO変調器203aを
通過してF1だけ周波数シフトを受け、折り曲げミラー20
3b、偏光ビームスプリッタ202b、折り曲げミラー203c、
偏光ビームスプリッタ205、コーナーキューブ207、およ
び偏光ビームスプリッタ205を経由して偏光板208に入射
する。
一方、前記図面に垂直な偏光成分の光は下方へ折り曲
げられ、折り曲げミラー203aを経由し、AO変調器204bを
通過してF2だけ周波数シフトを受け、偏光ビームスプリ
ッタ202b、折り曲げミラー203c、偏光ビームスプリッタ
205、コーナーキューブ206、および偏光ビームスプリッ
タ205を経由して偏光板208に入射する。
これら２つの光は、偏光板208の作用で干渉し、フォ
トデイテクタ209にてF1−F2のビート信号Sigが検出され
る。そして、検出されたビート信号Sigと、AO変調器204
a,204bを駆動している発振器211a,221bの信号を周波数
ミキサー222にて混合した信号Refとの位相差φ１が位相
−電圧変換器223において検出される。
また、２つの信号SigとRefは、それぞれ高速パルスコ
ンバータ224a,224bにおいてパルス列に変換され、そし
てアップダウンカウンタ225にてそのパルス数の加減算
が行なわれて出力される。
半導体レーザ201へ供給される電流は、半導体レーザ2
01の発振波長が連続的に変化する範囲で電流を変調する
回路232と、半導体レーザ201の発振周波数が不連続的に
変化する範囲で電流を変化させる回路233と、半導体レ
ーザ201の発振周波数が一定になるように電流を制御す
る回路234のいずれかを選択スイッチ231により任意かつ
高速に切り換えられるように構成されている。
さらに半導体レーザ201は、温度が一定に保たれるよ
うに、例えばペルチェ素子とサーミスタを利用した精密
温調装置240により±0.001℃程度の変動に保たれる。
以下、アブソリュートなステージ10の位置を測定する
方法について説明する。
一般に、半導体レーザは第６図に示すような注入電流
−発振波長特性を持っている。従って、例えば注入電流
を80mA中心に±1mA程度変調とすると、発振波長は793.3
nmあたり中心として±６×10-3nm程度変化し、周波数変
調がかけられることになる。また、70mA中心に±10mA程
度注入電流を変化させると、発振波長はモードホップに
よる不連続な変化をはさんで0.6nm程度変化させること
ができる。
また、半導体レーザは、温度変動を±0.001℃程度、
注入電流の変動を±１μＡに抑えると、発振波長は10-8
のオーダで安定化可能であることが知られている。
このような半導体レーザ201を用いて、まず、選択ス
イッチ231により発振波長が連続的に変化する範囲で変
調する回路232を選択する。今、中心波長λ１、波長の
変調巾を±Δλ１とすると、光路差ｌと位相信号φの関
係は、第１の実施例で示したように、式（３）〜（５）
によって表わされる。
したがって、回路32の変調周波数をf3とすると、f3に
同期して変動する位相出力φ１の巾即ちΔφ１を測定す
ればレーザ波長に比して非常に大きな等価波長λeq1の
範囲で（５）式中の自然数n1−n2が一意に決定され、光
路差ｌが測定できる。
例えば、λ１＝794nm、Δλ１＝0.001nmとすると、λ
eq1＝λ1 2/Δλ１＝628mmとなり、ｌの測定範囲巾がこ
れ以内であれば、即ちｌの最大変化巾が628mmである様
に設定してあれ、n1−n2は一意に決定され、この時Δφ
１を測定すれば光路差ｌが位相測定精度で決まる精度で
測定される。位相測定精度を２π/2000とすれば、約0.3
mmの精度で測定できることになる。
次に、選択スイッチ231を、発振波長が不連続に変化
する範囲で注入電流を変化させる回路233は切り換え
る。ここで、回路233はある周波数f4で丁度発振波長を
モードホップをはさんでλＬとλＨの間で変化させるよ
うな機能があるとすれば、光路差ｌと位相差信号φの関
係は、 ２πｌ＝（2m1π＋φＬ）・λＬ …（９） ２πｌ＝（2m2π＋φＨ）・λＨ …（10） であり、（９）式にλＨ、（10）式にλＬをかけ両式の
差をとると、 ２πｌ＝｛２π（m1−m2）＋Δφ｝・λeq2 ……（11） 但し、Δφ ＝φＬ−φＨ λeq2 ＝λＬ・λH/|λＬ−λH| m1,m2:自然数 となる。したがって、周波数f4に同期して変化する位相
差信号Δφを測定すれば、レーザ波長に対してやや大き
な等価波長λeq2の範囲で自然数m1−m2が一意に決定さ
れ、光路差ｌがより精密に測定される。例えば、λＬ＝
792,7nm、λＨ＝793.3nmとすれば、 λeq2＝λＬ・λH/|λＬ−λH|＝1.05mm となり、既にｌの絶対値は約0.3mmの精度で求まってい
るからm1−m2は一意に決定される。この時の位相測定精
度を２π/2000とすれば、約0.5μｍの精度で測定できる
ことになる。
最後に選択スイッチ231を発振波長が一定になるよう
に制御する回路234に切り換える。
回路234は、発振波長をλＣに制御しているものとす
れば、光路差ｌと位相差信号φの関係は、 ２πｌ＝（２πＮ＋φ）・λＣ N:自然数 であり、非常に高い精度でｌを決定することができる。
例えば、λＣ＝793nmとすると、既に約0.5μｍ（＝500n
m）の精度でｌは測定されているから、Ｎは一意に決定
される。そして、この時の位相測定精度を２π/2000と
すると、約0.4nmの精度で光路差ｌを測定できたことに
なる。従って結局、光路差を628mmのレンジで0.4nmの精
度で絶対測定できたことになる。
しかし、このような切り換え方式によるステージ210
の絶対位置決定は、ある程度時間がかかるうえ、決定し
ている間はステージはザブミクロンオーダで静止してい
る必要がある。
そこで、このような切換え方式によるステージ210の
絶対位置決定は一番最初に一度だけ行ない、あとは通常
のインクリメンタルなレーザ測長により測定する方が高
速なステージの動きには追従し易い。従って、高速パル
スコンバータ224a,224bによってパルス状に変換された
測定信号Sigと参照信号Refをアップダウンカウンタ225
でカウントした出力を参照すれば、絶対位置を測定した
位置からインクリメンタルな測長が可能となり、結局、
高速な絶対位置の測定をも実現できたことになる。
また、何らかのトラブルでレーザ光から遮られカウン
トエラーを起こした時は、そこで再び絶対位置決定シー
ケンスを行なえば良く、従来のように原点センサ位置ま
でステージを戻してリセットする必要が無い。
実施例５ 第７図は本発明の第５の実施例を示し、同図に於て、
211はビームスプリッタ、226は高入力インピーダンスの
電流−電圧変換回路、227は参照信号に同期した信号の
み振巾を高精度に検出するロックインアンプである。他
の、第５図と同一の符号は同一の要素を示す。
上記構成に於て、半導体レーザ201より射出したコヒ
ーレント光は、上述と同様に、45゜方向の直線偏光状態
で偏光ビームスプリッタ202aに入射し、図面に水平な偏
光成分と図面に垂直な偏光成分に分割される。そして、
図面に水平な偏光成分の光は直進し、AO変調器204aを通
過してF1だけ周波数シフトを受け、折り曲げミラー203
b、偏光ビームスプリッタ202b、ビームスプリッタ211に
至り、偏光板208aに入射する光と、偏光ビームスプリッ
タ205、コーナーキューブ207、偏光ビームスプリッタ20
5を経由して偏光板208bに入射する光とに分けられる。
一方、前記図面に垂直な偏光成分の光も上述実施例と
同様に、下方へ折り曲げられ、折り曲げミラー203aを経
てAO変調器204bを通過してF2だけ周波数シフトを受け、
偏光ビームスプリッタ202b、ビームスプリッタ211に至
り、偏光板208aに入射する光と、偏光ビームスプリッタ
205、コーナーキューブ206、偏光ビームスプリッタ205
を経由して偏光板208bに入射する光とに分けられる。
これらの光のうち偏光板208aに入射した２つの光は偏
光板208aの作用で干渉し、フォトディテクタ209aにてF1
−F2のビート信号Refが検出される。また、偏光板208b
に入射した２つの光は偏光板208bの作用で干渉し、フォ
トディテクタ209bにてF1−F2のビート信号Sigとして検
出され、前記Refと位相−電圧変換器223において位相差
φ１が検出される。また、２つの信号SigとRefはそれぞ
れ高速パルスコンバータ224a,224bにおいてパルス列に
変換され、アップダウンカウンタ225においてパルス数
の加減算を行ない出力される。
半導体レーザ201へ供給される電流は、上述と同様
に、半導体レーザの発振波長が連続的に変化する範囲で
電流を変調する回路232と半導体レーザの発振周波数が
不連続に変化する範囲で電流を変化させる回路233と半
導体レーザの発振周波数が一定になるように電流を制御
する回路234のいずれかを選択スイッチ231により任意か
つ高速に切換えられるように構成されている。
さらに、半導体レーザ201は、上述と同様にして、±
0.001℃程度の変動に保たれる。
半導体レーザ201への注入電流信号は電流−電圧変換
回路226において電圧信号となりこれを参照信号として
位相−電圧変換器223の出力φ１の信号変動巾Δφ１が
ロックインアンプ227において検出される。
本構成においても第１の実施例と全く同じ方法でアブ
ソリュートの光路差が測定されるが、異なる点は、位相
−電圧変換器223の参照信号をフォトディテクタ209aの
出力からとっている点と、半導体レーザ201への注入電
流を変調している時の位相信号変動巾をロックインアン
プ227によって検出している点である。
このように、位相−電圧変換器223の参照信号フォト
ディテクタ209aからとることにより、回路は若干複雑に
なるものの、ビームスプリッタ211より半導体レーザ201
に近い側の光路に於ける光路差変動の影響を無くすこと
が出来る。
又、ロックインアンプ227によって位相信号変動巾を
検出する事により、位相−電圧変換器223の出力φ１に
ノイズが重畳されていても十分に変動巾Δφを測定する
ことが可能となる。
その他の実施形態としては、上述のように、半導体レ
ーザに注入する電流を変調する巾を可変とし、即ち、注
入電流AC成分のゲインを任意に設定する回路を設ける事
によっても全く同じ効果を得ることが可能である。
また、半導体レーザの発振波長の安定化も上述のよう
に、メタン、ヨウ素等のガスセルの分子吸収線に制御す
る方法やエタロン板透過光の共振ピークに制御する方法
等を用いて高精度化する事が可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、アブソリュート
な位置測定とインクリメンタル測定の両方を実行でき、
一旦絶対測長を行えば、インクリメンタル測定でそこか
らの高速な相対変位に追従して測定することが可能とな
り、常に正確に被測定物体の位置検出が出来るようにな
る。特にインクリメンタル測定をアブソリュートな位置
測定に使用する光路と同じ光路を介して実行するので、
アブソリュートな位置測定とインクリメンタル測定の切
替の際に、両者の光路の条件差に起因する測定誤差を発
生せず、全体としての測定結果より安定したものと出来
るものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第２図は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の全体構成図、 第３図は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第４図は、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第５図は、本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ測
長装置の構成図、 第６図は、半導体レーザの特性を説明する説明図、 第７図は本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ測長
装置の構成図、 第８図は従来例に係る半導体レーザ測長装置の構成図で
ある。 1,11a,11b:半導体レーザ、3:干渉計ユニット、5:被測定
平板ミラー、10:ステージ、104a、104b:AO変調器、105:
偏光ビームスプリッタ、109:波長選択ミラー、181a,181
b,154:発振器、183a,183b,:位相−電圧変換器、184:差
動アンプ、151a,151b:電流制御回路、152a,152b:電源、
155:温調装置、71a,71b,71c:フォトディテクタ、82a,82
b:パルスコンバータ、92:アップダウンカウンタ、156:
周波数変調選択スイッチ、157:ゲイン調整回路、200:ガ
スセル、201:半導体レーザ、204a,204b:AO変調器、205:
偏光ビームスプリッタ、206,207:コーナーキューブ、20
8:偏光板、209:フォトディテクタ、210:ステージ、221
a,221b:発振器、223:位相電圧変換器、224a,224b:高速
パルスコンバータ、225:アップダウンカウンタ、231:ス
イッチ、232:電流変調回路、233:可変抵抗器、234:定電
流回路、240:温調回路。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに異なる周波数の２つのレーザ光の光
    束対を一方を被測定物体に照射し他方を参照となる光路
    を経由させた後互いに干渉させてビート信号を得る行程
    を、前記光束対の周波数を変えて複数実行し、各行程で
    得られたビート信号の位相の比較より前記被測定物体の
    アブソリュートな位置を決定するアブソリュート位置測
    定と、該アブソリュート位置測定と同じ光路を用いて一
    方を被測定物体に照射し他方を参照となる光路を経由さ
    せた互いに異なる周波数の２つのレーザ光の光束対を互
    いに干渉させて得られるビート信号より前記被測定物体
    に対してインクリメンタルな変位測定を行うインクリメ
    ンタル測定と、を実行することを特徴とする測長方法。
  2. 【請求項２】互いに異なる周波数の２つのレーザ光の光
    束対の一方を被測定物体に照射し他方を参照となる光路
    を経由させた後互いに干渉させるように導く干渉光学系
    と、ビート信号の位相の比較より前記被測定物体のアブ
    ソリュートな位置を決定するための複数のビート信号を
    得るべく、前記干渉光学系に互いに異なる周波数の２つ
    のレーザ光の光束対を入射させる行程を光束対の周波数
    を変えて複数実行するためのアブソリュート位置測定系
    と、前記アブソリュート位置測定系と同じ光路を用いて
    前記干渉光学系より得られる互いに異なる周波数の２つ
    のレーザ光の光束対を互いに干渉させて得られたビート
    信号より、前記被測定物体に対するインクリメンタルな
    変位測定用の信号を得るためのインクリメンタル測定系
    と、を有することを特徴とする測長装置。
  3. 【請求項３】前記アブソリュート位置測定系は一つの光
    源からのレーザ光の周波数を周期変動させることにり前
    記光束対の周波数を変えることを特徴とする請求項２に
    記載の測長装置。
  4. 【請求項４】前記アブソリュート位置測定系は２つの波
    長の異なる光源からのレーザ光を用いることにより前記
    光束対の周波数を変えることを特徴とする請求項２に記
    載の測長装置。
  5. 【請求項５】前記インクリメンタル測定系は前記アブソ
    リュート位置測定系の有する光源からのレーザ光を使用
    する請求項２に記載の測長装置。
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