JP4367099B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、本発明は、プローバ、ハンドラ、ステッパ等で用いられる対象物の２次元位置決めをするＸＹステージ等に適用される光学的な距離測定装置の分解能向上に関する。

格子プラテンと、その上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして位置制御されるスライダ部を有するＸＹステージの構造及びレーザ干渉計による光学的な距離測定装置については、特許文献１に詳細に開示されている。特許文献２には、干渉計を用いて光学的に検出対象の位置を検出する位置検出装置が記載されている。

図３は従来における距離測定装置の構成例を示した図である。
図３により、スライダの位置制御のための基準位置からの距離をレーザ干渉計により測定するセンサの構成をＸ軸センサ１００で代表して説明する。Ｘ軸センサ１００は、水平に固定配置された格子プラテン２００の上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして移動するスライダ３００に固定されている。

４００は、Ｘ軸センサ１００による距離測定の基準位置となる反射体を形成するＸ軸ミラーであり、格子プラテン２００の近傍に固定配置され、Ｘ軸センサ１００より照射されるレーザ光を反射させる。

以下、Ｘ軸センサ１００の内部構成を説明する。点線で区切られた上部領域Ａがセンサ部、下部領域Ｂが演算部である。センサ部Ａにおいて、レーザ光源１０１はレーザ光を出射する。レーザ光源１０１の出射光の光路には、ハーフミラー１０２, ミラー１０３，１０４、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳとする）１０５, λ／４板１０６, コーナーキューブ１０７が配置されている。

レーザ光源１０１から出た光は、ハーフミラー１０２, ミラー１０３, ミラー１０４, ハーフミラー１０２の経路で進み、図のａ方向に進む光がある。この光を第１の光とする。また、レーザ光源５０１から出た光には、ハーフミラー１０２, ＰＢＳ１０５, λ／４板１０６, Ｘ軸ミラー４００, λ／４板１０６, ＰＢＳ１０５, コーナーキューブ１０７, ＰＢＳ１０５，λ／４板１０６, Ｘ軸ミラー４００, λ／４板１０６, ＰＢＳ１０５，ハーフミラー１０２の経路で進み、図のａ方向に進む光がある。この光を第２の光とする。

ミラー１０３は、レーザ光源１０１の光軸と４５°の角度をなして配置されている。これに対して、ミラー１０４はレーザ光源１０１の光軸と４５°＋θａの角度をなして配置されている。ミラー１０４の配置角度がθａだけずれていることにより、第１の光の波面が第２の光の波面に対してθａだけずれる。これによって、第１の光と第２の光が干渉して干渉縞Ｓ _INT を作る。フォトダイオードアレイ（ＰＤＡとする）１０８は干渉縞Ｓ _INT を検出する。

ＰＤＡ１０８は、４個のフォトダイオード１０８Ａ〜１０８Ｄからなる。４個のフォトダイオード１０８Ａ〜１０８Ｄは、干渉縞Ｓ _INT の１ピッチ内に配置されている。各フォトダイオード１０８Ａ〜１０８Ｄはｐ／４（ｐは干渉縞のピッチ）ずつずらして配置されている。干渉縞のピッチｐ＝λ／θａ（λはレーザ光の波長）となる。

減算器１０９は、（フォトダイオード１０８Ａの検出信号）−（フォトダイオード１０８Ｃの検出信号）なる演算を行う。減算器１１０は、（フォトダイオード１０８Ｂの検出信号）−（フォトダイオード１０８Ｄの検出信号）なる演算を行う。

スライダ部１００の移動伴ってＸ軸センサ１００が移動すると、干渉縞Ｓ _INT が矢印ｄ−ｄ´方向に動く。干渉縞が動くと各フォトダイオード１０８Ａ〜１０８Ｄに当る干渉縞の明暗部分が動き、フォトダイオード１０８Ａ〜１０８Ｄの検出値が変化する。これをもとにＸ軸センサ１００とＸ軸ミラー４００の距離を測定する。

干渉縞がｄ方向に移動したときは、フォトダイオードの出力Ｖ_A〜Ｖ_Dは次のとおりになる。
Ｖ_A＝ａ［１＋ｍ・ｓｉｎ｛Ｘ・２π／（λ／４）｝］
Ｖ_B＝ａ［１＋ｍ・ｃｏｓ｛Ｘ・２π／（λ／４）｝］
Ｖ_C＝ａ［１−ｍ・ｓｉｎ｛Ｘ・２π／（λ／４）｝］
Ｖ_D＝ａ［１−ｍ・ｃｏｓ｛Ｘ・２π／（λ／４）｝］
ここで、Ｘ：検出対象の距離、ａ，ｍ：係数

減算器１０９と１１０の減算信号は、次のとおりになる。
Ｖ_A−Ｖ_C＝２ｍ・ａ・ｓｉｎ｛Ｘ・２π／（λ／４）｝
Ｖ_B−Ｖ_D＝２ｍ・ａ・ｃｏｓ｛Ｘ・２π／（λ／４）｝

減算の結果、直流成分がキャンセルされ、信号Ｖ_A−Ｖ_CとＶ_B−Ｖ_Dの位相検出信号を得る。干渉縞がｄ´方向に動いたときは、信号Ｖ_A−Ｖ_CとＶ_B−Ｖ_Dの位相関係は逆転する。

演算部Ｂにおいて、１１１は、位相検出信号を入力して距離Ｘを所定の分解能で出力値Ｐｏｕｔに変換する距離演算処理部である。以下、ｐ＝λ／４，ｍ＝１とし、位相検出信号をＳｉｎ（２πＸ／ｐ）、Ｃｏｓ（２πＸ／ｐ）として説明する。

本発明の主題は、この距離演算処理部の出力値Ｐｏｕｔの分解能向上に寄与する手段を提供して距離測定の精度を向上させることである。以下、図４及び図５により従来の距離演算部の構成及び動作を説明する。

図４は、従来の距離演算部の構成例を示す機能ブロック図である。位相検出信号Ｓｉｎ（２πＸ／ｐ）及びＣｏｓ（２πＸ／ｐ）は、位相変調部１１２に入力されて分周器１１３からの変調キャリアＣｏｓ（ωｍ・ｔ）及びＳｉｎ（ωｍ・ｔ）により位相変調される。

１１４はクロック発振器であり、周期Ｔｃｋを有するクロック信号ＣＬを発生する。分周器１１３は、このクロック信号ＣＬを入力してＭ（分周の比率を決める整数値）で分周した変調キャリアＣｏｓ（ωｍ・ｔ）及びＳｉｎ（ωｍ・ｔ）を発生させる。従って、ωｍ＝２π／（Ｔｃｋ・Ｍ）である。

位相変調部１１２は、
Ｓｉｎ（２πＸ／ｐ）Ｃｏｓ（ωｍ・ｔ）＋Ｃｏｓ（２πＸ／ｐ）Ｓｉｎ（ωｍ・ｔ）の演算を行い、変調信号Ｓｉｎ（ωｍ・ｔ＋２πＸ／ｐ）を得る。

この変調信号は、２値化処理部１１５により周期がＭ・Ｔｃｋ（１＋ΔＸ／ｐ）の２値化変調信号に変換される。ここでΔＸは、２値化変調信号の１周期における距離Ｘの変化である。

１１６は周期カウンタであり、クロック発振器１１４のクロック信号を入力して２値化変調信号をクロック信号に同期化する処理を実行すると共に、同期後の同期化変調信号の周期をクロック信号ＣＬでカウントする。周期カウンタの出力は（Ｍ＋Ｍ・ΔＸ／ｐ）となり、整数値で与えられる。

１１７は加算器であり、周期カウンタの出力（Ｍ＋Ｍ・ΔＸ／ｐ）から分周の値Ｍを減算し、整数値Ｍ・ΔＸ／ｐを得る。この信号は積算器１１８により積算され、距離に比例した出力値Ｐｏｕｔ＝ＸＭ／ｐを得る。

図５は、クロック信号ＣＬに対する２値化変調信号Ｓと同期後の同期化変調信号Ｓ´の位相関係を示すタイムチャートである。２値化変調信号Ｓの１周期ｔｎは、固定周期Ｔ（＝Ｍ・Ｔｃｋ）と距離ΔＸに関連する時間Δｔｎの和である。ここで、Δｔｎ＝Ｍ・Ｔｃｋ・ΔＸ／ｐである。

同期化変調信号Ｓ´の１周期のカウント値・Ｔｃｋは、固定値Ｍ・Ｔｃｋと距離ΔＸに関連するカウント値（ＫＣｎ−Ｍ）・Ｔｃｋの和で与えられる。ここで、ＫＣｎは係数（整数値）である。このような構成を有する従来の距離演算処理部の出力値Ｐｏｕｔは、上述のようにＸＭ／ｐであり、周期カウンタによりＴｃｋで離散化されるため、その分解能はｐ／Ｍ＝λ／４Ｍで与えられる。

特開２０００−６５９７０ 特開２００１−１４７１０５

スライダの位置制御精度を更に上げる要求に対しては、距離測定の分解能を上げる必要がある。分解能を上げる手法としては、単純にはクロック信号の周波数を上げる又は分周の値Ｍを上げる手法が考えられるが、次のような問題点がある。

クロック信号の周波数を上げる手法では、システム全体を統括するクロック信号を使用する場合では一部の周波数を上げることは効率的ではなく、更に信号処理のための機能に高速処理が要求され、コスト的に採用できない。

分周の値Ｍを大きく取れば２値化変調信号の周期が長くなり、応答の無駄時間の増加を招くことになり、分解能とのトレードオフとなるので限界がある。更に、Ｍを大きくすることにより最大速度の制限を生ずる問題が発生する。即ち、位相変調部を正常に動作させるためには、
被変調信号の最大周波数ωｓ<<変調信号の周波数ωｍ
である必要があるが、
ωｓ＝２π・最大移動速度ｖｍａｘ［ｍ／ｓ］／ｐ［ｍ］ ｐ＝λ［ｍ］／４
ωｍ＝２π・クロック周波数／Ｍ
であるため、Ｍを大きくすると、ｖｍａｘは小さくなる。

従って、距離Ｘの変化速度に対応して適正なレスポンスを確保するために、Ｍを大きくすることは設計上限界がある。

よって本発明が解決しようとする課題は、クロック信号周波数又は分周の値を大きくすることなく、分解能を向上させる手段を有する距離測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）レーザ光とこのレーザ光が基準位置となる反射体から反射された光との干渉縞を１／４干渉縞ピッチずつずらして配置された４個のフォトダイオードにより検出し、これらのフォトダイオードの各出力Ｖ _A 〜Ｖ _D からＶ _A −Ｖ _C とＶ _B −Ｖ _D の２つの位相検出信号を生成するセンサ部と、
このセンサ部の２つの位相検出信号を、それぞれ９０°位相の異なるクロック信号の分周信号と乗算した上で加算し、変調信号を生成する位相変調部と、
この位相変調部の変調信号を２値化する２値化処理部と、
この２値化処理部の２値化変調信号を前記クロック信号に同期化させた同期化変調信号にし、この同期化変調信号の周期を前記クロック信号でカウントする周期カウンタと、
この周期カウンタの出力から前記クロック信号の分周値が減算された値を積算して前記距離に比例した出力値を得る積算器と、
前記２値化処理部の２値化変調信号のエッジと前記周期カウンタの同期化変調信号のエッジとの時間差を検出する時間差検出回路と、
この時間差検出回路の出力を電圧変換する時間／電圧変換回路と、
この時間／電圧変換回路の出力を分解能Ｋ_ADでＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記積算器の出力値をＫ_AD倍する乗算器と、
この乗算器の出力から前記Ａ／Ｄ変換器の出力を減算処理する加算器と、
を備えたことを特徴とする距離測定装置。

（２）格子プラテン上をＸＹ方向に移動するスライダと、位置固定された反射体との距離を測定することを特徴とする（１）に記載の距離測定装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）クロック発振器に特別に高速なものを必要とせず、システム全体を統括するクロック信号を使用することができる。従って、信号処理のための高速処理機能は不要であり、コストダウンに貢献できる。
（２）分周の値Ｍを大きくする必要がないので、距離Ｘの変化スピードに対応して適正なレスポンスを確保することができる。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した距離測定装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき図１及びタイムチャート図２により説明する。

図１において、点線のブロックＣが従来装置に追加された分解能向上手段である。５０１は時間差検出回路であり、２値化変調信号Ｓのエッジと同期後の同期化変調信号Ｓ´のエッジの時間差ｔｓを検出する。

図２のタイムチャートは、図５で説明したクロック信号ＣＬに対する２値化変調信号Ｓと同期後の同期化変調信号Ｓ´の位相関係を示すタイムチャートに量子化差分Ｖｓのタイムチャートを追加したものである。

図２において、ｔ１, ｔ３, ｔ５は、２値化変調信号Ｓの立下りのタイミングである。ｔ２, ｔ４, ｔ６は、同期後の変調信号Ｓ´の立下りのタイミングであり、夫々の時間差はｔｓｎ-１, ｔｓｎ, ｔｓｎ＋１である。

５０２は、時間／電圧変換回路であり、基準電圧発生回路５０３の基準電圧Ｖｒｅｆを入力し、２値化変調信号Ｓの立下りのタイミングｔ１, ｔ３, ｔ５よりクロック信号ＣＬの周期Ｔｃｋの期間に所定の勾配で電圧をゼロからＶｒｅｆまで増加させ、同期化変調信号Ｓ´の立下りのタイミングｔ２, ｔ４, ｔ６でゼロにリセットさせる。

このような操作で生じた三角波の夫々のピーク値が量子化差分Ｖｓｎ-１, Ｖｓｎ, Ｖｓｎ＋１であり、Ｖｓ＝ｔｓ／Ｔｃｋ・Ｖｒｅｆで表される。５０４はＡ／Ｄ変換器であり、基準電圧Ｖｒｅｆを入力して時間／電圧変換回路５０２の出力Ｖｓ＝ｔｓ／Ｔｃｋ・Ｖｒｅｆを分解能K _AD でデジタル変換し、出力Ｓ _AD を得る。

５０５は乗算器であり、積算器１１８の出力Ｍ・ΔＸ／ｐをK _AD 倍して加算器５０６に入力する。加算器５０６は、乗算器５０５の出力とＡ／Ｄ変換器５０４の出力の減算を実行して出力値Ｐｏｕｔ＝ＸＭ／ｐ・K _AD ＋Ｓ _AD を得る。

即ち、本発明の分解能向上手段は、２値化変調信号を同期化変調信号に変換する際に離散化で切り上げ処理された時間を時間／電圧変換回路で電圧変換し、Ａ／Ｄ変換器で１Ｔｃｋ分を分解能K _AD で検出してこの分を加算器により減算処理する。この処理により分解能はｐ／（Ｍ・K _AD ）となり、従来装置に比較して分解能はK _AD 倍となる。

時間／電圧変換回路５０２は、詳細回路は示していないが定電流を量子化ノイズｔｓの期間積分する積分回路等、種々の回路手段を採用することが可能である。

以上説明した実施形態では、本発明をＸＹステージ等のスライダに搭載される光学的な距離測定装置に適用した例を説明したが、本発明は移動距離をインクリメンタルに加算する距離測定装置一般に採用してその分解能向上を図ることが可能である。

本発明を適用した距離演算処理部の構成例を示す機能ブロック図である。 図１におけ２値化変調信号Ｓと同期化変調信号Ｓ´の時間差による量子化差分を説明するタイムチャートである。 レーザ光の干渉を用いた従来の距離測定装置の構成例を示す機能ブロック図である。 従来の距離測定装置における距離演算処理部の構成例を示す機能ブロック図である。 図４における値化変調信号Ｓと同期化変調信号Ｓ´の位相関係を説明するタイムチャートである。

符号の説明

Ａ： センサ部
１１２ 位相変調部
１１３ 分周器
１１４ クロック発振器
１１５ ２値化処理部
１１６ 周期カウンタ
１１７、５０５ 加算器
１１８ 積算器
Ｃ： 分解能向上手段
５０１ 時間差検出回路
５０２ 時間／電圧変換回路
５０３ 基準電圧発生回路
５０４ Ａ／Ｄ変換器
５０５ 乗算器
５０６ 加算器

Claims (2)

1. レーザ光とこのレーザ光が基準位置となる反射体から反射された光との干渉縞を１／４干渉縞ピッチずつずらして配置された４個のフォトダイオードにより検出し、これらのフォトダイオードの各出力Ｖ _A 〜Ｖ _D からＶ _A −Ｖ _C とＶ _B −Ｖ _D の２つの位相検出信号を生成するセンサ部と、
   このセンサ部の２つの位相検出信号を、それぞれ９０°位相の異なるクロック信号の分周信号と乗算した上で加算し、変調信号を生成する位相変調部と、
   この位相変調部の変調信号を２値化する２値化処理部と、
   この２値化処理部の２値化変調信号を前記クロック信号に同期化させた同期化変調信号にし、この同期化変調信号の周期を前記クロック信号でカウントする周期カウンタと、
   この周期カウンタの出力から前記クロック信号の分周値が減算された値を積算して前記距離に比例した出力値を得る積算器と、
   前記２値化処理部の２値化変調信号のエッジと前記周期カウンタの同期化変調信号のエッジとの時間差を検出する時間差検出回路と、
   この時間差検出回路の出力を電圧変換する時間／電圧変換回路と、
   この時間／電圧変換回路の出力を分解能Ｋ_ADでＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記積算器の出力値をＫ_AD倍する乗算器と、
   この乗算器の出力から前記Ａ／Ｄ変換器の出力を減算処理する加算器と、
   を備えたことを特徴とする距離測定装置。
2. 格子プラテン上をＸＹ方向に移動するスライダと、位置固定された反射体との距離を測定することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。

Images