JP4613351B2

JP4613351B2 - 位置決め機構

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Publication number: JP4613351B2
Application number: JP2006228680A
Authority: JP
Inventors: 麻理子鍜島; 弘一松本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: JP2008051674A

Description

本発明は、通信関連工業、電子工業、機械工業などの精密生産分野における精密測長器や変位計測センサを校正するための装置に用いる位置決めステージ等の精密位置決め機構に関する。

半導体露光、光ディスク露光、精密加工などの分野での位置決めや測長には、高分解能なデジタルスケールが用いられているが、最近ではその分解能は１００ピコメートル以下にまで達しており、これらの精度を評価するための校正装置も高分解能化、高精度化が必要である。

このための解決手段として、メートル法にトレーサブルである必要性などから光干渉計を用いる手段が適している。しかし、従来の干渉計では、周期誤差を低減できず、その精度は約１ｎｍにとどまっていた。

そこで、第二高調波と基本波の屈折率の差を利用したズーミング干渉計が開発されている（特許文献１参照）。これは、第二高調波の屈折率と基本波の屈折率の違いから、同じ長さを通る光の光路長に差ができ、この差を利用して逓倍を行う干渉計である。
特許２６９００４１号公報

特許文献１記載の干渉計では、第二高調波と基本波の屈折率の差を利用したズーミング干渉計であるが、これは、屈折率を利用するため正確にズーム比を決めることが困難であること、厳密にメートルにトレーサブルにすることが容易でないという問題点があった。

ところで、様々の分解能のデジタルスケールを校正する必要がある一方、測定システムの大きさを大幅に変えることは困難である、などの点から、ズーム比を可変化することが有効であるが、特許文献１記載の干渉計ではズーム比を自由に変えることができないという問題もあった。

本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的とするものであり、ズーム比を正確に決定することができ、また、ズーム比を可変にできるため、適したズーム比を選択することができるズーミング干渉計を利用した位置決め機構を実現することを課題とするものである。

本発明は上記課題を解決するために、光源において光コムを利用して得た第１及び第２の波長の光を、それぞれマッハツェンダ干渉計により干渉させて被測定体の位置決めを行う位置決め機構において、直動ミラーを移動させると、光源の波長によって正確に決められた比に従った量だけ被測定体の可動機構が移動し、被測定体の位置決めを正確に行うことを特徴とする位置決め機構を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、第１及び第２の波長の光を出す光源と、該光源からの第１及び第２の波長の光を、双方とも第１及び第２の光路の二つに分ける第１のビームスプリッターと、二つに分けられた第１及び第２の波長の光を被測定体に反射させ第３のビームスプリッターに入射させる第１の光路と、二つに分けられた第１及び第２の波長の光を音響光学変調器を介して第３のビームスプリッターに入射させる第２の光路と、前記第１の光路の第１の波長の光の光路中に設けられ第１の波長の光の位相変調を行う直動ミラーと、第１の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第１の光検出器と、第２の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第２の光検出器と、第１及び第２の光検出器の検出信号に基づいて位相差を求め該位相差信号を被測定体の可動機構に出力する位相比較器と、を備えており、直動ミラーを移動させると、光源の波長によって正確に決められたズーム比に従った量だけ可動機構が移動して被測定体を位置決めする位置決め機構を提供する。

前記光源は、光コムの二つの異なった波長の光を取り出したものであり、この光源から作り出され干渉計に導入される第１及び第２の波長の光としては、光コムから取り出された第１のモードの光、光コムから取り出された第２のモードの光、光コムから取り出された第１のモードの光と第２のモードの光の合成波長の光、充分に安定なレーザー光源の光のうち、いずれか二つの光を用いることが考えられる。

前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、２つの半導体レーザーの波長をそれぞれ光コムの２つの異なった周波数にロックするように制御する構成とすればよい。

前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、光コムの光を２つの異なった共振周波数をもつファブリーペロー共振器を用いて２波長を取り出す構成とすればよい。

本発明に係る位置決め機構のズーミング干渉計は、光コムから切り出した２周波を光源として用いることにより、ズーム比を正確に決定することができ、また、ズーム比を可変にできるため、適したズーム比を選択することができ、これにより、様々な分解能の高分解能デジタルスケールの校正に対応できる高分解能、高精度測長できる装置の実現が可能であり、しかも、そのような装置のシステムのコンパクト化が可能である。

さまざまな分解能の測長器を校正しようとするとき、ズーム比が可変でない場合、低分解能の測長器を校正するときには、コーナーリフレクタ１を非常に大きく変位させなければならず、高分解能な測長器の場合は小さく変位させなければならない。

この場合、干渉計をあらかじめ大きく作る必要性が出てきて、これは干渉計の動作の安定性や環境安定性の点から見て、不利である。光源を変えてズーム比を可変にすることによって干渉計の大きさを変えずに測定を行うことができれば、動作の安定性も得られ、環境安定性の点でも有利である。

しかしながら、レーザー光源では、任意の波長λｐ、λｓを選ぶことは難しい。本発明の干渉計では、光源として光コムから切り出した光を用いることで、任意のズーム比を簡単に得ることができる。

ところで、前記特許文献１で開示されているような、光の屈折率の差を用いて分解能を逓倍する高分解能位置決め機構では、屈折率を精度良く測定できないために、ズーム比が正確に決められないという問題点があった。

しかしながら、本発明の干渉計のように、光コムを光源に用いると、光コムは正確で安定したモード間ビート周波数をもっているので、ここからλｐ、λｓを切り出すと、ズーム比が正確に定まり、上記問題を解決することができる。

本発明に係る位置決め機構を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

本発明に係る位置決め機構は、その本体３は、図１に示すような干渉計４から構成される。この干渉計４の光路の一部に直動するコーナリフレクタ２が組み込まれており、較正や測定すべき対象物である変位センサのような測長器５は、このコーナリフレクタ２に、詳細は図２において後記するが、取り付け治具６によって取り付けられる。

本発明に係る位置決め機構の本体を構成する上記干渉計は、ズーミング干渉計として機能する。ここで、ズーミング干渉計とは、二つの波長を光源に用いる干渉計で、その波長の差や屈折率の差を利用してそれぞれの波長が感じる位相変化に差を持たせ、参照光路での位相変化を被測定光路の位相変化で補償すると、被測定光路の光路長変化は、参照光路の光路長変化を拡大、または縮小したものになる、という干渉計である。

（本体３）
本発明に係る位置決め機構の本体３を構成する干渉計４では、光源７から第１の波長λｓ、第２の波長λｐの二つの波長の光を入射する。光源７については、後で詳述するが、光コム（超短パルスレーザによって発生させられた多くの色成分を含んだ光）を用いる。

干渉計４に導入する光を、波長λｐの光と波長λｓの光とすると、光コムから切り出した第１及び第２の二つのモードの光の波長をλ_１、λ_２とすると、λｐ、λｓには、λ_１、λ_２、λ_１とλ_２の合成波長λｓ＝λ_１・λ_２／（λ_１−λ_２）、又は充分に安定なレーザー光源λ_３を用いることができる。

波長λｓの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１で第１の光路８及び第２の光路９の二つに分けられる。第１の光路８では、波長λｓの光は、コーナーリフレクタ１、コーナーリフレクタ２を通り、第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。

第２の光路９では、波長λｓの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１、第２のビームスプリッターＢＳ２、集光レンズ１０、変調周波数Δｆの音響光学変調器１１（音波によって光ビームの振幅と位相を変える器具。acousto-optic modulator。以下、「ＡＯＭ」という。）を通り、凹面鏡１２で反射され、ＡＯＭ１１、集光レンズ１０を再び通り、第２のビームスプリッターＢＳ２から第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。

波長の違う複数の光をＡＯＭ１１に通すと、光路が波長によってずれてしまい、後の光学系の調整が複雑になるという問題があるが、この第２の光路９の構成のように、集光レンズ１０、ＡＯＭ１１、凹面鏡１２を設けることによりこのような問題が解決される。

ＡＯＭ１１を往復して通過した光は、二回変調を受け、変調周波数は２Δｆになる（２Δｆの周波数シフトを受けている。）。

第１の光検出器１４では、第１の光路８を通った光と、第２の光路９を通り２Δｆの変調を受けた光の干渉信号Ｉｓが得られる。この干渉信号Ｉｓは、周波数２Δｆのビート信号として得られる。

波長λｐの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１で第１の光路８及び第２の光路９の二つに分けられる。第１の光路８では、波長λｐの光は、コーナーリフレクタ２を通り、第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。

第２の光路９では、波長λｐの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１、第２のビームスプリッターＢＳ２、集光レンズ１０、ＡＯＭ１１を通り、凹面鏡１２で反射され、ＡＯＭ１１、集光レンズ１０を再び通り、第２のビームスプリッターＢＳ２から第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。

第２の光検出器１５では、第１の光路８を通った光と、第２の光路９を通り２Δｆの変調を受けた光の干渉信号Ｉｐが得られる。この干渉信号Ｉｐは、周波数２Δｆのビート信号として得られる。

第１の光検出器１４及び第２の光検出器１５は、それぞれ位相比較器１３に接続されている。コーナーリフレクタ２は、ピエゾアクチュエータ、その他の駆動手段により直動可能な構成として、位相比較器１３の比較結果に応じて、直線方向にｘだけ変位させるように構成されている。

この位相比較器１３で、干渉信号Ｉｓの光と干渉信号Ｉｐの光の位相差Δφを観測する。この場合次のように行う。まず、コーナーリフレクタ１を変位Ｘだけ変位させる。次に、干渉信号Ｉｓが受ける位相変化を保障し、干渉信号Ｉｓの光と干渉信号Ｉｐの光の位相差ΔφがΔφ＝０となるようにコーナーリフレクタ２を変位させる。このときのコーナーリフレクタ２の変位をｘとする。

この一連の操作によるＩｓの位相変化は、Δφｓ＝（Ｘ／λｓ＋ｘ／λｓ）・２π、
Ｉｐの位相変化は、Δφｐ＝（ｘ／λｐ）・２πである。

ここで、Δφ＝Δφｓ−Δφｐ＝０となるように操作したので、
Δφ＝Δφｓ−Δφｐ＝｛（Ｘ＋ｘ）／λｓ−ｘ／λｐ｝・２π＝０となる。この式から、
ｘ＝（λｐ／(λｓ−λｐ)）Ｘ＝（１／Ｋ）・Ｘとなる。ここで、Ｋをズーム比と呼ぶ。

以上の構成からなる干渉計４によれば、コーナーリフレクタ１の変位Ｘを高分解能に測定することで、コーナーリフレクタ２は、さらにそのＫ倍高い分解能で位置決めされる。

例えば、光源７としてλｓ＝約０．６ｍｍ、λｐ＝約０．６μｍの波長の光を用いると、Ｋ＝約１０００となるが、コーナーリフレクタ１の変位Ｘを分解能０．１μｍで測定してコーナーリフレクタ２を動かすと、コーナーリフレクタ２は０．１ｎｍの分解能で位置決めされる。

図２に示すように、コーナーリフレクタ２に、校正しようとする変位センサ５などの測長器を、校正器物取り付け説明図のように、センサ取り付け治具６によって取り付け、コーナーリフレクタ１を高精度にある分解能で動かし、位相差が０になるようにコーナーリフレクタ２を動かすと、コーナーリフレクタ２は、コーナーリフレクタ１の分解能のＫ倍高い分解能で位置決めされる。

コーナーリフレクタ１の変位を十分に高精度に測定するとき、コーナーリフレクタ２は正しい分解能で変位する。これにより、コーナーリフレクタ２に取り付けられた変位センサのような測長器５を校正することができる。

例えば、校正されるべき測長器５を１００ピコメートルの分解能で校正しようとするとき、干渉計４のズーム比Ｋを１０００に選んだ場合、コーナーリフレクタ１を１００ナノメートルの分解能で正確に変位させれば、コーナーリフレクタ２は１００ピコメートルの分解能で正確に位置決めされるので、変位センサ５などの測長器５の指示値を分解能１００ピコメートルで校正することができる。

通常、干渉計が精度良く変位測定できる分解能は１ｎｍ程度であるが、本発明における干渉計４によれば、変位Ｘを精度良く測定すると、自動的に変位ｘをズーム比倍だけ小さい分解能で測定できる。このことから、コーナーリフレクタ１を精度良く動かすと、コーナーリフレクタ２は、ピエゾアクチュエータなどを用いても精度良く、高分解能に位置決めすることができる。

また、Ｉｓには、干渉計４全体のノイズが含まれるが、原理的には、Ｉｐではノイズもズーム比倍縮小される。そして、本発明の干渉計４は、光源７としてλｐ、λｓの波長をいろいろに組み合わせることにより、任意のズーム比が得られるので、さまざまな分解能に対応することが可能である。

（光源）
本発明に係る位置決め機構の干渉計４では、光源７として、光コムを用いる構成を特徴としている。図３及び図４は、本発明の干渉計４に用いる光源７の一例を説明する図である。図３に示す光源７は、光コムの第１及び第２の二つのモードに第１の半導体レーザーＬＤ１（以下、単にＬＤ１」という。）及び半導体レーザーＬＤ２（以下、単にＬＤ２」という。）の２台をそれぞれ安定化させ二波長光源７を得る構成である。

ＬＤ１のビームは、第１のビームスプリッターＢＳ１で二つに分けられ、一方は安定化のための制御信号を取り出すためにＢＳ４、回折格子１を経由して光検出器ＡＰＤ１（ＡＰＤ：アバランシェ・フォトダイオードは、逆バイアスを印加することにより光電流が増倍される高速・高感度のフォトダイオードである。以下単に「ＡＰＤ」という。）に入射する。もう一方はビームスプリッターＢＳ６を通り、干渉計４に入射する光源７となる。

コムレーザー光は、第３のビームスプリッターＢＳ３で半分に分けられＢＳ４でＬＤ１の制御用ビームと合わせられる。光コムの中で、ＬＤ１の波長λ_１に近い波長のモードだけを制御に用いるが、光コムには多くのモードが含まれているので、回折格子１を用いることにより、光コムのモードの空間的分布を広げ、制御に用いる波長付近の光とＬＤ１の光のみをＡＰＤ１で検出する。

ＡＰＤ１で検出される、ＬＤ１の光とコムレーザーの一部のモードとのビート信号から制御信号を作り、図４に示すように、ＬＤ１の波長λ_１に近い波長のコムの１モードと、ＬＤ１とのビート周波数を観測し、このビート周波数が安定する（ロックする）ようにＬＤ１の印加電流に制御をかける。

ＬＤ２のビームについてもＬＤ１と同様に制御し、第２のビームスプリッターＢＳ２で二つに分けられ、一方は安定化のための制御信号を取り出すためにビームスプリッターＢＳ５、回折格子２を経由してＡＰＤ２に入射する。もう一方はビームスプリッターＢＳ６を通り、干渉計４に入射する光源７となる。

コムレーザー光は、第３のビームスプリッターＢＳ３で半分に分けられビームスプリッターＢＳ５でＬＤ２の制御用ビームと合わせられる。回折格子２を用いることにより、コムレーザーのモードの空間的分布を広げ、制御に用いる波長付近の光とＬＤ２の光のみをＡＰＤ２で検出する。

ＡＰＤ２で検出される、ＬＤ２の光とコムレーザーの一部のモードとのビート信号から制御信号を作り、ＬＤ２の波長λ_２に近い波長のコムの１モードと、ＬＤ２とのビート周波数を観測し、図４に示すように、このビート周波数が安定する（ロックする）ようにＬＤ２の印加電流に制御をかける。

ところで、光コムのモード間周波数間隔は非常に一定で安定しているので、この中の二つのモードに安定化した半導体レーザー光は、やはり非常に安定した一定の周波数間隔を持つ光源である。本発明に係る位置決め機構における干渉計４の光源７として、光コムを光源７に用いる構成の利点を以下に説明する。

さまざまな分解能の測長器５を校正しようとするとき、ズーム比が可変でない場合、低分解能の測長器５を校正するときには、コーナーリフレクタ１を非常に大きく変位させなければならず、高分解能な測長器５の場合は小さく変位させなければならない。

この場合、干渉計４をあらかじめ大きく作る必要性が出てきて、これは干渉計４の動作の安定性や環境安定性の点から見て、不利である。光源７を変えてズーム比を可変にすることによって干渉計４の大きさを変えずに測定を行うことができれば、動作の安定性も得られ、環境安定性の点でも有利である。

しかしながら、レーザー光源７では、任意の波長λｐ、λｓを選ぶことは難しい。本発明の干渉計４では、光源７として光コムから切り出した光を用いることで、任意のズーム比を簡単に得ることができる。

しかしながら、本発明の干渉計４のように、光コムを光源７に用いると、光コムは正確で安定したモード間ビート周波数をもっているので、ここからλｐ、λｓを切り出すと、ズーム比が正確に定まり、上記問題を解決することができる。

干渉計４に導入する光を、波長λｐの光と波長λｓの光とすると、光コムから切り出す二つの波長をλ_１、λ_２とすると、λｐ、λｓは、λ_１、λ_２、λ_１とλ_２の合成波長λｓ＝λ_１・λ_２／（λ_１−λ_２）、又は充分に安定なレーザー光源λ_３である。充分に安定なレーザー光源λ_３は、λｐ、λｓを、λ_３、λ_１という組み合わせ、又は、λ_３、λ_２という組み合わせ、又は、λ_３、λ_１とλ_２の合成波長という組み合わせとすることにより用いる。

図５及び図６は、本発明の実施例における光源７の別の例を説明する図である。この光源７では、図５に示すように、コムレーザー（コムレーザー）から光コムのビームをビームスプリッターを通して、第１のファブリーペロー共振器１６及び第２のファブリーペロー共振器１７にそれぞれ入射させて、波長λ₁、λ₂ の安定な光を得ることを特徴とするものである。

第１のファブリーペロー共振器１６は、図６に示すように、干渉計４の光源７として用いたい波長λ_１に対応する周波数を共振周波数にもち、光コムの１モードのみを切り出すことができるフィネスをもっており、波長λ_１のモードの光だけを取り出す。

また、第２のファブリーペロー共振器１７についても同様に、λ_２に対応する共振器を作成し、波長λ_２のモードの光だけを取り出す。

この光源７は、構成が非常に簡単であり、目的とするモードのみを、Ｓ／Ｎよく取り出すことができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明は、以上のような構成であるから、通信関連工業、電子工業、機械工業などの精密生産分野における精密測長器や変位計測センサを校正するための装置に用いる位置決めステージや、精密位置決め機構に適用することができる。

本発明に係る位置決め機構の実施例の全体構成である干渉計を説明する図である。本発明の実施例の干渉計と校正するべき対象物との関係的構成を示すための対象物の取り付けを説明する図である。本発明の実施例の光源の一例を説明する図である。本発明の実施例の光源の一例の動作を説明する図である。本発明の実施例の光源の別の例を説明する図である。本発明の実施例の光源の図５に示す別の例の動作を説明する図である。

符号の説明

１コーナーリフレクタ
２コーナーリフレクタ
３位置決め機構の本体
４干渉計
５測長器（変位センサ）
６取り付け治具
７光源
８第１の光路
９第２の光路
１０集光レンズ
１１ＡＯＭ（音響光学変調器）
１２凹面鏡
１３位相比較器
１４第１の光検出器
１５第２の光検出器

Claims

光コムをもとにして構成する二種類の波長の光を出す光源と、
該光源から作り出した第１及び第２の波長の光を、双方とも第１及び第２の光路の二つに分ける第１のビームスプリッターと、
二つに分けられた第１及び第２の波長の光を被測定体に反射させ第３のビームスプリッターに入射させる第１の光路と、
二つに分けられた第１及び第２の波長の光を音響光学変調器を介して第３のビームスプリッターに入射させる第２の光路と、
前記第１の光路の第１の波長の光の光路中に設けられ第１の波長の光の位相変調を行う直動ミラーと、
第１の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第１の光検出器と、
第２の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第２の光検出器と、
第１及び第２の光検出器の検出信号に基づいて位相差を求め該位相差信号を被測定体の可動機構に出力する位相比較器と、を備えており、
直動ミラーを移動させると、光源の波長によって正確に決められたズーム比に従った量だけ可動機構が移動して被測定体を位置決めする位置決め機構。
前記光源は、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出してこれをもとに構成したものであり、この光源から作り出され干渉計に導入される第１及び第２の波長の光としては、光コムから取り出された第１のモードの光、光コムから取り出された第２のモードの光、光コムから取り出された第１のモードの光と第２のモードの光の合成波長の光、充分に安定なレーザー光源の光のうち、いずれか二つの光を用いることを特徴とする請求項１記載の位置決め機構。
前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、２つの半導体レーザーの波長をそれぞれ光コムの２つの異なった周波数にロックするように制御する構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め機構。
前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、ｆｓコムレーザーの光を２つの異なった周波数ファブリーペロー共振器を用いて２波長を取り出す構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め機構。