JP5690268B2 - 測定システム、位置決定装置、波長決定装置、及び屈折率決定装置 - Google Patents
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Description
その位置が決定されるべき物体と、
前記発生器によって生成される強度パターンの僅かな部分を検出するようになっている電磁放射線検出器と、
を有し、
強度パターンの検出された僅かな部分を使用して物体の位置を決定できる位置決定システム。
電磁放射線の略並進的に非周期的な二次元強度パターンを発生させるステップと、
強度パターンの僅かな部分を検出して物体の位置を決定するステップと、
を含む方法。
その位置が決定されるべき物体と、
前記発生器によって生成される強度パターンの僅かな部分を検出するようになっている電磁放射線検出器と、
を有し、
強度パターンの検出された僅かな部分を使用して物体の位置を決定できる位置決定システム。
前記発生器により生成される強度パターンの一部を検出するようになっている第1の電磁放射線検出器と、
前記発生器により生成される強度パターンの一部を検出するようになっている第2の電磁放射線検出器と、
を有し、
発生器と第1および第2の検出器との間のそれぞれの光学経路の屈折率が既知の大きさだけ意図的に異ならされ、第1および第2の検出器により検出されるパターンがコヒーレント光源の波長を決定するために役立つ電磁放射線波長検出器。
強度最大値および強度最小値を含む干渉パターンを発生させるための電磁放射線干渉パターン発生器と、
前記発生器により生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出する電磁放射線検出器であり、干渉パターンの複数の強度最大値及び/又は強度最小値をほぼ同時に検出する検出素子のアレイを有する電磁放射線検出器と、
を有する測定システムであって、
検出される強度最大値及び/又は強度最小値に基づいて、当該システムの物理的特性または当該システムの物理的特性の変化を決定できる測定システムが提供される。
電磁放射線干渉パターン発生器を使用して、強度最大値および強度最小値を含む電磁放射線干渉パターンを発生させるステップと、
検出器を使用して、前記発生器により生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するステップであり、検出器が検出素子の配列を有し、それにより、検出器が、干渉パターンの複数の強度最大値及び/又は強度最小値をほぼ同時に検出する、ステップと、
検出された強度最大値及び/又は強度最小値を使用して、物理的特性または物理的特性の変化を測定するステップと、
を含む方法が提供される。
(i)電磁放射線干渉パターン発生器、または、
(ii)電磁放射線検出器、
のいずれかと所定の空間的関係を有してもよい。
(i)3つの直交並進軸のうちの少なくとも1つに沿う並進;及び/又は、
(ii)3つの直交回転軸のうちの少なくとも1つを中心とする回転、
によって移動されてもよく、
これらの軸に沿う物体の移動或いはこれらの軸の任意の1つ又は任意の組み合わせを中心とする物体の移動は、検出器によって検出される干渉パターンまたは干渉パターンの一部に変化を与える。システムは、この変化を検出して、この変化に基づいて第1の位置に対する第2の位置を計測するようになっていてもよい。ここでは言うまでもなく、物体の移動は、所定の軸のいずれかに沿っている必要はなく或いは所定の軸のいずれかを中心とする必要はなく、物体の移動をこれらの軸によって規定される座標系で表わすことができる。典型的な移動は、これらの軸に沿う及び/又はこれらの軸を中心とする成分の適切な組み合わせによって表わすことができる。
ここで、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。
現代の技術では、位置の測定が非常に重要な作業である。本発明の好ましい実施形態により、極めて高い精度で非常に低コストに位置を測定できる。好ましい実施形態は、物理的に小さく、かつ、高度に設定変更可能なシステムを提供する。
・像は、多量の細かい詳細を与えるべきであるが、どの場所においても異なっているべきである。
・像の焦点が決して外れるべきではない。
・像は、その構造が知られている像でなければならない。
・製造ロボット(特に、航空宇宙産業において)
・機械的なアクチュエータ(特に、動きの精度を必要とするアクチュエータ)
・光学素子製造
・研磨
・自動車検査
・外科手術ロボット
・測定器具(例えば、マイクロメータおよびダイヤルゲージ)
・マイクロポジショニングシステム(例えば、旋盤、フライス盤、リソグラフィ工具、光学機械、精密動作ステージ測定)
・電子顕微鏡ステージ
・ナノポジショニングシステム
・制御システム(ロボット、航空宇宙、自動車)
・品質制御・処理(成分計測)
・ヒューマンインタフェース(ジョイスティック、ノブ、および、レバー)
・科学的測定(例えば、天文学)
・サーボ制御
・例えば、小粒子に関する弾道学的研究で用いる使い捨て可能な干渉計
・医療干渉計(例えば、定量的な振戦測定)
・精密非接触コントローラ(例えば、爆発性雰囲気でのノブおよびジョイスティック)
図3の5−ピンホール発生器が使用されるとすると、検出器のピクセレーションによるエイリアシングを伴うことなく干渉パターンを検出する必要がある。したがって。我々が強度の正弦波変調を有する場合、我々は、正弦波の周期の半分よりも近い間隔でピクセルを互いに離間させる必要がある(サンプリング定理)。5ピンホール配列は、正弦波の数の総和である1つのパターンを生み出す。したがって、干渉パターンは本質的に帯域制限される。このことは、我々がナイキスト限界の非常に近傍でサンプリングできて少しの情報も失わないことを意味する。したがって、我々は、発生器の最も近くまで接近すると、最も短い周期の正弦波がピクセル対角線上に(例えば)2ピクセルの周期を有するものと予想する[なお、色検出器チップが使用される場合には、緑色ピクセル(例えば)が検出器領域を半分だけ満たす]。そのため、保守的なアプローチをとって、存在する4つのピクセルにつき1つのピクセルだけを使用できるようにし、活性ピクセル間隔×2×√2辺りのピーク−ピーク間隔を考慮に入れると、我々は32ピクセルごとに1つの最大値を得る。したがって、1メガピクセル色検出器は32768個の最大値を検出できる。モノクロセンサを使用すると、これが4倍だけ増大する(131072個の最大値)。各最大値は、ピクセル間隔よりもはるかに小さいほどに正確な2つの位置を与える。したがって、モノクロ検出器を用いると、262144個の数を6つの座標系で計算することができる。このため、本発明者らは、システムが非常に小さなランダムエラーだけ(高精度)を有すると考える。パターン全体における最大値の数は、波長およびピンホール間隔だけによって決定される。そのため、光学素子は、好ましい(平均)作用距離を隔てた最大値で検出器を満たすように容易に規定される。各最大値を決定できる精度は統計によって制限される。したがって、検出器上の典型的なピクセルは、それが約105個のピクセル上の電子を有するときに“満杯”である。電子の数の変化は、電子の数の平方根、すなわち、約300である。これは、読み出しノイズ(通常の写真用途では露光不足領域のみにおけるファクタである。通常は数個の電子)に対して大きい。ここで、我々は、曲線を(サンプリングされた)値に適合させることによりピーク位置を規定する。ナイキスト限界でピークが2つのピクセル値に正確に中心付けられる場合には、ピーク幅が1つのピクセルの幅と同じである。このとき、ピークがピクセル間隔のちょうど1%だけ移動されれば、我々は、電子全体の1%が1つのピクセルへ更に入り込んで他のピクセルから更に出ると予測する。したがって、移動前の状況は、ピクセルAが50000個の電子を有する状況である。ピクセルBは50000個の電子を有する。移動後、ピクセルAは100000個の電子の1%を更に多く有し、ピクセルBは100000個全体の1%減る。したがって、移動後、ピクセルAは51000個の電子を有し、ピクセルBは49000個の電子を有する。これは、約300個の電子の変化×3である差異である。そのため、ピクセル間隔の約0.3%に対応するおおよその動きを検出できる。典型的なピクセル間隔は2−20μmであり、7μmが通常の値である。したがって、この例では、x−y方向での1つのピークからの検出可能な最小移動は7μmの約0.3%=20nmである。262144個の測定値が6座標へ平均化されれば、(262144/6)の平方根の改善が得られる。したがって、これは約200倍の改善である。そのため、精度は約0.1nmである。
ある場合には、位置の僅かな急速な変化、すなわち、振動または滑らかな連続的動きを測定することが好ましい。検出器チップの角部の4つの小さい領域を呼掛けて、通常のデータ転送速度(約50メガピクセル/秒)をとると、50kサンプルで1000ピクセル値が読み出される(パターンの強度が十分であり、適切な検出器が使用されると仮定する)。これは、25kHzまたは0.01nm/Hz−1/2の帯域幅で、√(1000/6)×20nm、すなわち、約1.6nmの精度を与える。
ここで扱われるべき問題は、(実用的目的のために)位置規定が一意的となる前にどのくらいの大きさの干渉パターンが捕らえられる必要があるのか?ということである。数学的には、ペンローズパターンの何らかの任意の部分領域の無数のコピーが無限ペンローズパターン内に含まれる。しかしながら、実用的な目的のために本実施形態が有限パターンを使用するため、この数学的証明は厳格に適用されない。また、好ましい実施形態のいずれも厳密なペンローズパターンを実際に使用しないことに留意されたい。振動測定法においては、位置の変化だけが測定される。したがって、この考慮は、振動測定法において大した問題ではない。しかしながら、絶対位置測定においては、この問題を扱うことが有益である。まず第1に、絶対位置測定のために検出されるパターンだけに依存する必要はないかもしれない。例えば、単に、使用されるステージの位置を記憶していることにより、あるいは、非コヒーレントパターン投影機または簡単なターゲットイメージングなどを使用することにより、大雑把な表示が使用されてもよい。パターン自体に関しては、中心領域へ向かって移動するにつれてパターンが更に明るくなり(当業者であれば良く分かるように、個々のピンホールのエアリー回折パターンによりパターン全体が変調される)、それにより、パターンの“包絡線”がパターンの中心へ向かう方向の表示を形成することが予期される。第2に、本発明の典型的な実施形態では、検出器が多数の最大値及び/又は最小値を捕らえる。パターン中の2つ以上の場所の非常に大きい回折パターンにおいてさえも(例えば)10000個の最大値の全てが同じ相対位置にあるケースはあまりない。当業者であれば分かるように、パターン中の異なる候補領域間を区別するために使用されるアルゴリズムは、パターンの性質と使用される検出器のサイズおよびタイプとに合わせて調整されてもよい。実用的なシステムでは、一般に、製造時に任意の欠陥の影響を評価するために何らかの較正が求められる。しかしながら、そのような欠陥(例えば、意図的に導入される)が利点となる場合もある。5つの円形のピンホールの“純粋な”系の場合には、回折パターンが回転対称性(72°)を有する。これは、パターンの意図的な変更によって、例えば一軸方向に向けられた楕円ピンホールの使用によって排除できる。
HeNe(例えば、小キャビティレッドHeNe 632.8nmで約0.5mW:Example Melles Griot, model 05 SRP 810−230, 1つにつき$430)。このようなレーザは、大きいとともに、コンセント電源(約18W電力)で給電される。これらのレーザは、優れた光学的品質および線幅を与える。これらのレーザはターンキー動作を行ない、また、重要な環境要件はない。
はフーリエ変換を示す。
yがcに対して大きい(一般に、本システムの実施形態に関して当てはまる)場合には、双曲線はそれらの漸近線に至る傾向がある。すなわち、
好ましい実施形態に係るシステムによって与えられるランダムエラーを考慮することは興味深い。
− 単一ピクセル信号対雑音比はSNRSPである。良好なセンサに関して典型的な値は103(すなわち、60dB)である。
− x−ピクセルの数Nx。典型的な値は1600である。
− y−ピクセルの数Ny。典型的な値は1200である。
− ピクセル間隔L。典型的な値は6μmである。
Xは、窓をかける前のスペクトル成分の振幅であり、
Xkは、窓をかけた後のスペクトル成分の振幅であり、
Kは、窓の次数であり、
aiは、窓関数の重み関数であり、
nは、離散空間周波数である。
K=2 22.9%
Pbin=
K=2 11.5%
までそれぞれ減少される。
[我々は、ここでは、z軸周りの回転を示すためにこの文書の他の場所でθが使用されることに留意する。この記号の使用は、ここでの議論および図17にしか通用しない]
好ましい実施形態の光学素子は、正五角形配列(例えば図30に示されるような5回回転対称)で配置される5つのピンホールと、関連する視準構造とを有する。
2rsin(72°)=λzmin/2L ∴ r=λzmin/4Lsin(72°)
となるのが分かる。
1.高い正確度をもって光源の位置を規定すること。
2.検出器が発生器に対して移動する空間の体積を満たすように十分大きな角度範囲にわたって光を散乱させること。
3.絞りからの光のかなりの割合が前方に向かうように光を散乱させること。
φaperture=1.22・λ/sin(θAiry)=1.22・λ/sin(45°)=1.73λ となることを意味する。
φaperture=0.5145・λ/sin(θAiry)=0.5145・λ/sin(45°)=0.728λ となる。
したがって、3つの指示波長に関して表6を得る。
d=λ/(sin(θinc)・nquartz) となる。
tquartztan(θinc)=r
tquartztan(θinc+θholo)=r+(φlaser/2)
となるのが分かる。
の距離だけ移動させ、それにより、そのスポットからの出力が消滅する。位置の移動は、偏角δθincの変化によって引き起こされる。この移動が、有効格子周期deffをホログラムに帰するホログラムの部分に対する通常の回折格子作用に対応すると仮定すれば、
Claims (15)
- 複数の強度最大値および強度最小値を含む干渉パターンを発生させる電磁放射線干渉パターン発生器と、
前記発生器により生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するよう動作する電磁放射線検出器であり、干渉パターンの複数の強度最大値及び/又は強度最小値をほぼ同時に検出するよう配列された検出素子のアレイを有する電磁放射線検出器と、
を有する測定システムであって、
上記干渉パターンは、実質的に並進的で非周期的な二次元の干渉パターンであり、検出される強度最大値及び/又は強度最小値に基づいて、当該システムの物理的特性または当該システムの物理的特性の変化を決定する、測定システム。 - 前記検出器において、検出素子は検出器において一次元のアレイまたは二次元のアレイにて配列される、請求項1記載の測定システム。
- その位置が測定されるべき物体をさらに含む、請求項1又は2に記載の測定システム。
- その位置が測定されるべき物体は、
(i)電磁放射線干渉パターン発生器、または(ii)電磁放射線検出器、のいずれかと一定の空間的関係を有する、請求項3記載の測定システム。 - 使用時、第1の位置から第2の位置への物体の動きは、検出器で捕らえられる干渉パターンの変化を引き起こし、
物体は、(i)3つの直交並進軸の少なくとも1つに沿う並進に対応した移動、及び/又は(ii)3つの直交回転軸の少なくとも1つの周りの回転に対応した移動、により移動可能であり、
物体の移動、あるいはこれらの移動の組み合わせは、検出器により検出される干渉パターンにおけるあるいは干渉パターンの一部における変化を提供する、請求項3又は4に記載の測定システム。 - 干渉パターン発生器は、光源を含み、干渉パターン発生器により提供される電磁放射線は、空間的にコヒーレントであり、
干渉パターン発生器は、干渉パターンを発生するために一つ若しくは複数の光学素子を含み、
光学素子は、光の透過及び回折用の光透過絞りの配列を含む、請求項1から5のいずれかに記載の測定システム。 - 当該システムは、さらに、第2の検出器を含み、この第2の検出器は、第1の検出器とは異なる強度パターン部分を検出する、請求項1から6のいずれかに記載の測定システム。
- 第1及び第2の検出器は、単一の主検出器の部分である、請求項7に記載の測定システム。
- 当該システムは、さらに、第2の電磁放射線検出器を含み、第1及び第2の検出器の各々は、前記発生器により生じる干渉パターンのそれぞれの部分を検出するよう動作し、発生器と第1及び第2の検出器との間の各光路の屈折率は、既知量にて意図的に異ならせ、第1及び第2の検出器により検出されるパターンは、電磁放射線の波長を決定するのに使用可能である、請求項1から6のいずれかに記載の測定システム。
- 発生器から検出器へ電磁放射線のための少なくとも2つの異なる経路長を提供し、少なくとも2つの異なる経路長に対応する少なくとも2つの干渉パターンを検出器で提供するための経路変更手段を更に含む、請求項1から6のいずれかに記載の測定システム。
- 経路変更手段は、それぞれの経路長に沿って電磁放射線の反射における差を提供する、請求項10記載の測定システム。
- 発生器と検出器との間にエタロンが設けられ、異なる経路長は、使用時に、検出器に到達する前にエタロンを横切る電磁放射線の異なる通過数によって与えられる、請求項11記載の測定システム。
- 請求項1から12のいずれかに記載の測定システムを含む位置決定装置。
- 請求項1から12のいずれかに記載の測定システムを含む波長決定装置。
- 請求項1から12のいずれかに記載の測定システムを含む屈折率決定装置。
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