JP5882672B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いの間で可動する二つの対象物の相対的位置を検出するための光学式位置測定装置に関するものである。特に本発明は、入射する光を回折により異なった分光に分割する光学格子を備えた基準尺体を使用する位置測定装置に関するものである。一つの基準尺体を別の基準尺体に対して移動する時に、適切な分光を一緒にすると二つの分光の干渉により、フォトディテクタで周期的な信号が得られる。ディテクタにおける周期を数えることにより、移動の量を推量することができる。

以上のような干渉方式の位置測定装置は、例えば半導体産業において高精密な位置測定のために使用され、そこでは例えばフォトリソグラフィ用の露光マスクを、ウエハーに対して相対的に１ｍ／秒以上の速度で動かさねばならず、そのときに位置決め精度をナノメーター範囲、将来は更にそれ以下に維持せねばならない。従来の干渉計と較べてそのようなシステムの大きな利点は、干渉する分光が通らねばならない経路が非常に短いことであり、それにより気圧、温度、湿度の変動のような、空気の屈折率変動により測定結果を誤らし兼ねない環境要素の影響を殆ど受けない。

本発明が前提にする国際公開第ＷＯ ２００８／１３８５０１号において、共通の測定方向に対して直角な線を備えた光学格子が付いており且つ交差する二つの基準尺を使って測定を行うことが公知である。そのような測定システムを使うことにより、二方向で可動するテーブルの位置を一つの測定方向で、二方向のうちの別の方向におけるテーブルの位置とは関係なく検出することができる。互いに９０度の角度で配設されているそのような測定システムを二つ使用すると、テーブルの位置を第二方向でも検出することができ、この場合には第一方向におけるテーブルの位置とは関係がない。

国際公開第ＷＯ ２００８／１３８５０１号で開示されている配設における欠点は、テーブル面に対して直角なテーブルの動きを検出できないことである。
テーブルの位置をテーブル面において検出するために、複数の場所で走査検知する十字格子を備えた測定配設も公知であり、その十字格子によりテーブル面での横方向移動および回転を検出できる。更にＥＰ１０１９６６９Ｂ１では追加の走査検知センサを使用し、それを使ってテーブル面に対して直角な動きも、それによりテーブルの６自由度すべてを検出できることが提案されている。しかしながら、そのような間隔センサ、例えば接触式または容量式の測定センサは、半導体産業における現在および将来の製造装置の精度要求を満たすものではない。加えて高精度且つサイズの大きな十字格子は、殊のほか製造にコストがかかる。

ＥＰ１７６２８２８Ａ２に記載されている光学式位置測定装置は、本来の測定方向（水平な測定方向）における測定の他に、測定方向に対して直角な所謂、走査検知間隔、即ち、基準尺とその走査検知ユニット間の間隔の測定もできる。このことは、測定方向に対して直角な第二自由度の測定と同義である（縦方向の測定方向）。このケースでは光が、色々な光学構造を有する透明な走査検知プレートを通過して、反射する基準尺体で基準尺に当たる。二つの分光光束に分割された光は、走査検知プレートと基準尺間を何度も往復する。そのとき分光光束の分光が、水平な測定方向に対して直角な面に関して非対称で進み、異なった経路長を有している。分光光束は、走査検知プレートの上側と下側ないし基準尺体の上側と下側に配設され光学的に機能する色々な構造、例えば異なった回折次数の光線を分割または一緒にするための格子、反射するためのミラー、意図的に光を屈曲するためのレンズと相互して作用する。

そのような分光は最後に互いで一緒にされ、それが互いで干渉し、基準尺体と走査検知ヘッド間が相対的に動く時に、複数のフォトディテクタで周期的な信号を発生する。分光の非対称配設により、ディテクタで周期的な信号が得られ、その信号から基準尺体と走査検知ヘッドの水平方向や縦方向における移動量、それにより互いに移動する二つの対象物の横方向と縦方向の移動量が得られる。

しかしながら、上記しているようにＥＰ１７６２８２８Ａ２に記載のシステムは、交差した基準尺を備えた測定システムに対して、その走査検知プレート構造により使用できない。この走査検知プレートは、測定方向に対して直角な第一基準尺が相対的に動ける第二基準尺まで、測定を阻害することなく拡大できない。

よって本発明の課題は、交差する二つの基準尺を備えた光学式位置測定装置を、二つの基準尺間の走査検知間隔を追加して測定できるように更に展開することである。

この課題を、請求項１の特徴を備えた装置により解決する。利点ある実施形態は、請求項１に従属する請求項に記載の特徴により得られる。
ここで記載するのは、走査検知尺と基準尺を備えた光学式位置測定装置であり、走査検知尺が二つの方向の第一または第二方向で、基準尺が両方向のそれぞれ別の方向で延伸しており、基準尺が第一および第二方向に対して直角な第三方向で、走査検知尺に対して走査検知間隔だけオフセットして配設されている。さらに光学式位置測定装置が光源を備えており、その光が走査検知尺と基準尺の交点で走査検知尺を通過し、それにより基準尺に当たって、そこから走査検知尺に向かって戻り、更にディテクタに到達し、そのとき光が走査検知尺と基準尺の光学的機能構造において回折により異なった分光に分割されて再び一緒にされ、第一方向で走査検知尺と基準尺間が移動する時に、互いが一緒になった分光の干渉によりディテクタで周期的な信号を発生する。そこで光学式位置測定装置は、走査検知尺と基準尺間の走査検知間隔が変化する時に同じく、ディテクタで周期的な信号が発生するように構成されている。

このことは、個々の分光がグループを形成しており、そのとき第一グループの分光と第二グループの分光が互いの間で、走査検知間隔に関係する位相差を有していることにより達成される。

そのために第一グループの分光ないし第二グループの分光が互いの間で、第一方向に対して直角な面に関して非対称に進むことがある。
走査検知尺にある光学構造が、第一方向に関して周期的または並進不変であると好ましく、それにより走査検知尺を、第一方向における全移動経路に亘って拡大することができる。

基準尺にある光学構造が、第二方向に関して周期的または並進不変であると好ましく、それにより基準尺を、第二方向における全移動経路に亘って拡大することができる。
その他に、十分な品質のディテクタ信号を得るために、光学構造が局所的に二つを超える周期性を有するべきではない。

本発明の別の利点および詳細は、以下における図を使った好ましい実施例の説明から分かる。

従来技術による光学式位置測定装置 従来技術による光学式位置測定装置 従来技術による光学式位置測定装置 従来技術による光学式位置測定装置 第一実施例 第一実施例 第一実施例 第一実施例 第二実施例 第二実施例 第二実施例 第二実施例

図１ａではテーブルＴを上部外観図で示しており、その位置を第一方向Ｘと第二方向Ｙで広がる面で検出することになる。そのためにテーブルＴには光学式位置測定装置が配設されており、それが、テーブル端部に配設されていると共に、測定方向に延伸する走査検知尺Ａおよび、測定方向に対して直角に延伸する基準尺Ｍを有している。走査検知尺Ａにも基準尺Ｍにも規則的な格子構造が付いており、その格子線は当該測定方向に対して直角になっている。

テーブル上には加工品ＷＳがあり、それを工具ＷＺで加工することになる。対象となり得るのは、加工品ＷＳでは例えばウエハーであり、工具ＷＺではウエハーに対して位置決めする露光光学系とすることができる。工具ＷＺは、ウエハーを調べる顕微鏡の写像光学系の場合もある。

テーブルＴの位置を第一方向Ｘでも第二方向Ｙでも検出できるようにするために、そしてその他に第一および第二方向Ｘ，Ｙに対して直角なＺ軸を中心にしたテーブルの回転も求めることができるようにするために、三つのこの光学式位置測定装置がテーブルＴに配設されている。以下においては、図１ａで左側テーブル端部に配設された位置測定装置にのみ注目する。

図１ｂは、図１ａの側面外観を示している。第一方向Ｘは、ここで注目する位置測定装置にとっての測定方向であり、図面の面に対して直角に立っている。
走査検知ヘッドＡＫには光源ＬＱが配設されており、その光はまず、走査検知尺Ａに平行でテーブル端部に配設されている方向転換ミラーＵに当たる。そこから光は、透明な走査検知尺Ａを通過して反射基準尺Ｍに当たり、そして更に往路に対して平行にオフセットした復路を、中で複数のディテクタＤＥＴが入射光を電気信号に変換する走査検知ヘッドＡＫに戻る。これらの信号は、測定方向Ｘにおいてテーブルが移動する時に周期的である。周期の数、これは補間により増加することができるが、テーブルＴの移動量に対する尺度である。その他に、互いで位相がずれた複数の信号（例えば、０／９０度または０／１２０／２４０度の位相ずれ）を発生させることにより、方向情報も得ることができる。

この例では走査検知ヘッドＡＫ、基準尺Ｍ、工具ＷＺは、位置が固定されているのに対して、方向転換ミラーＵ、走査検知尺Ａの付いたテーブルＴおよび加工品ＷＳは、テーブル面において一緒に可動である。従来技術により公知のこの配設の利点は、第二方向Ｙにおけるテーブル位置とは関係なく、第一方向Ｘにおけるテーブル位置の測定が可能であることである。位置測定のために重要な格子線が、走査検知尺Ａおよび基準尺Ｍ上で測定方向Ｘに対して直角になっているので、第二方向ＹでテーブルＴが動く時に、走査検知ヘッドＡＫにあるディテクタのディテクタ信号は不変のままであり、本来の測定方向Ｘの動きのみに応答する。

走査検知尺Ａと基準尺Ｍ間の間隔を、ここでは走査検知間隔ｄとして表すことにする。テーブルが、例えばガイド不良により更に第三方向Ｚで動く場合には、それにより必然的に走査検知間隔ｄも変化する、というのは、走査検知尺ＡがテーブルＴと固定接続されており、基準尺Ｍはテーブルとは別に位置が固定されているからである。即ち、走査検知間隔ｄの検出を介して、テーブルの別の自由度を求めることができるであろう。

しかしながら、図１ａないし１ｂのように交差した基準尺体につくられている従来技術で公知の位置測定装置は、走査検知間隔ｄを測定できず、反対に一般的に、走査検知間隔の小さい変化が本来の位置測定に出来るだけ作用しないように構成されている。

図２〜４では、従来技術による光学式位置測定装置を説明しており、その光学式位置測定装置では、走査検知ヘッドと基準尺の走査検知プレート間の間隔を、追加しそして基準尺方向における本来の位置測定に対して直角に検出することができる。

図２ａ，２ｂ，２ｃでは、透明な走査検知プレートの上側と下側を上部外観図で、光学式位置測定装置の光線の当該通過点と一緒に示している。図３ａと３ｂでは、光路を空間的に想定する補助となる断面図を示している。図４ａは光路を展開して図示しており、そこでは理解し易くするために反射も、光学的境界面を通過する透過として示している。図４ａに位置を合わせて配設している図４ｂでは、これらの境界面とその光学構造を改めて図示している。

全ての図示においては、境界面を通過する光の通過点または衝突点にマーキングをすると共に、通し番号を付けている。境界面において作用が変化する毎に、点の番号を１だけ大きくしている。回折により複数の分光が発生すると、これを次の衝突点でａ，ｂ，ｃ等を付けて区分している。

図２ａは走査検知プレート上側ＡＰＯを示しており、それを通過して点１で光源の光が入射する。この場所では走査検知プレートは透明であり、逆反射を防ぐために好ましくはコーティングしている。即ち、点１の光入射位置における光学構造Ｏ１の場合には、走査検知プレートの透明なガラス基板で光学的に構造化されていない範囲が対象になる。図２ｂは走査検知プレート下側ＡＰＵを示しており、それが基準尺体ＭＶに対向している。点１から来る光が点２で規則的な格子Ｏ３に当たり、そして二つの分光に分割され、それが走査検知プレートを出て点３ａと３ｂで基準尺体ＭＶに衝突する。

光は点３ａと３ｂでも、格子線が点２と同じく測定方向Ｘに対して直角になっている規則的な格子Ｏ３に当たる。二つの分光は改めて二つの分光に分割され、そして走査検知プレート下側ＡＰＵに向かって逆反射され、そこで点４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに衝突する。

基準尺と走査検知プレート間の傾きに対する一定の影響を補正するために、この場所では四つの分光が平行に向いており、同時に走査検知プレート上側の鏡面構造Ｏ２で集束されねばならない。そのために点４ａと４ｂでは走査検知プレート下側ＡＰＵが、格子周期が変化する一次元格子の形態をした光学構造Ｏ４を有している。この構造は円筒レンズとして作用し、入射する光を集束する。点４ｃと４ｄでは更に格子線が彎曲しており、それによりレンズ作用の他に、当該光線を平行に向けることも行う。

点５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄで四つの分光が、走査検知プレート上側ＡＰＯの鏡面に当たる。
点５ａと５ｂにより、走査検知プレート下側ＡＰＵの鏡面Ｏ２に向かって更に反射が行われ、そこで光が点６ａと６ｂに衝突する。そこから光は再び、走査検知プレート上側ＡＰＯに向かい、そして点７ａと７ｂで鏡面Ｏ２に当たる。

光線は、点５ｃ，５ｄ，７ａ，７ｂにおける鏡面Ｏ２から、改めて走査検知プレート下側ＡＰＵに向かい、そこで光線は点８ａ，８ｂにおいて、格子周期が変化しており円筒レンズとして作用する一次元格子Ｏ４に当たる、ないしは点８ｃと８ｄにおいて、レンズ作用に加え彎曲した格子線を使って光線の方向変化を行う光学構造に当たる。基準尺体ＭＶの上側にある点９ａと９ｂで、それぞれ二つの光線が干渉して、それにより位相がずれた少なくとも二つの光束がつくられる。以上のようにしてつくられた光線は、基準尺体ＭＶの点９ａと９ｂから走査検知プレート下側ＡＰＵに向かい、そこでは点１０において規則的な格子Ｏ３に当たり、そして適切な方向に屈曲される。そして点１１ａと１１ｂで二つの光線が上側ＡＰＯで走査検知プレートを出て、ディテクタに最終的に到達し、そこで互いに位相がずれた信号がつくられる。

特に図４ａで分かることは、基準尺体ＭＶと走査検知プレート下側ＡＰＵ間の走査検知隙間において、点３ａから４ｃに又は３ｂから４ｄに向かう分光Ａ１，Ｂ１が、点３ａから４ａに又は点３ｂから４ｂに向かう二つの分光Ａ２，Ｂ２と較べて、より長い経路を進まねばならないことである。このように測定方向Ｘに対して直角な面に関して二つの分光光束Ａ，Ｂの中で非対称であることにより、干渉する分光において位相差が得られ、それが走査検知間隔ｄに関係している。よって、測定方向Ｘにおいて走査検知プレートに対して相対的な基準尺体ＭＶの移動量のように、同じく走査検知間隔ｄの変化がディテクタで周期的な信号をつくり出す。

ところが二つの分光光束ＡとＢは互いの間で、測定方向Ｘに対して直角な前記面に関して対称的に延伸するので、二つの分光光束から得られる位置情報の合計によりＸ方向における正味の移動量を、そして二つの位置情報の差異から走査検知間隔ｄの変化を特定できる。

言及しているように、横方向の測定方向に直角な面に関して観察する分光光束が非対称であることに基づいて、走査検知間隔ｄを測定する物理的な基礎および原理的な機能方法を詳しく導き出すことについては、初めに既に挙げておりここで詳細に参照することにする特許文献３の段落［００２１］〜［００３８］に記載されている。特許文献３の図３の実施例を、ここで図２〜４に図示している。

しかしながら、図１ａと１ｂで説明したようなシステムで使用するためには、そのような位置測定装置は直ぐには適していないことが、図２ａと２ｂによっても分かる。
そのためには測定を阻害することなく、走査検知尺Ａ上で光の衝突点を測定方向Ｘに移動できることが必要である。そのためには走査検知尺Ａの光学構造が、第一方向Ｘに関して周期的または並進不変でなければならない。並進不変であるのは、測定方向、即ち、第一方向Ｘで延伸している鏡面または透明な面、および第一方向Ｘに対してラインが平行に延伸する格子構造である。適切な周期的光学構造とは、Ｘ方向で格子周期が変化しない格子構造である。

以下において本発明の二つの実施例を説明するが、その実施例では走査検知尺が専ら、そのような並進不変または周期的な光学構造を有している。よって、得られる位置測定装置は、図１ａと１ｂに従って構成されており、同時に走査検知間隔ｄの測定を可能にするものである。

図５〜７において本発明の第一実施例を示している。図示の形式は、図２〜４における従来技術の図示に類似して選んでおり、色々な光線の衝突点に通し番号を付すと共に、関係する境界面での異なった外観を図示している。図５〜７を一緒に見ることにより、第一実施例の光路を完全に追随できる。

ここでは、この実施例の幾つかの詳細について触れることにする：
図５ａと５ｂは、走査検知尺Ａの（まず光源の光が当たる）上側および下側（ないし走査検知尺Ａは第一方向Ｘで延伸しているので、それぞれその一部分）を、その色々な光学構造Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４を使って示している。これらの構造は、第一方向（即ち測定方向）Ｘに関して並進不変であるか、即ち、透光する範囲Ｏ１、鏡面Ｏ２、Ｙ方向で変化する格子周期を有すると共に線の方向が測定方向Ｘに対して平行である一次元格子Ｏ４のようであるか、それとも周期的であるか、即ち、線の方向が測定方向Ｘに対して直角である規則的な格子Ｏ３のようであるか、のいずれかである。以上により、適切な走査検知尺Ａのための前述条件が満たされている。

図５ｃは、基準尺Ｍの（まず光源の光が当たる）上側（ないし基準尺Ｍは第二方向Ｙで延伸しているので、その一部分）を、その色々な光学構造Ｏ３を使って示している。これらの構造Ｏ３は第二方向Ｙに関して並進不変であり、以上により、適切な基準尺Ｍのための前述条件が満たされている。

図６ａと６ｂでは方向転換要素Ｕを図示しており、それを使うことにより光源ＬＱの光が、走査検知ヘッドＡＫから走査検知尺Ａの方に、又はこれから逆に走査検知ヘッドＡＫにあるディテクタＤＥＴの方に向けられる。

走査検知尺Ａの下側にある衝突点２から、四つの光線が基準尺Ｍの方に向かう。衝突点３ｄと３ｃを伴う光線Ａ１，Ａ２が第一分光光束Ａを形成し、衝突点３ａと３ｂを伴う光線Ｂ１，Ｂ２が第二分光光束Ｂを形成する。

明らかに分かることは、分光光束ＡないしＢの中で分光Ａ１，Ａ２ないしＢ１，Ｂ２が非対称であり、それが当該分光間で異なった長さの光路となり、それにより更に走査検知間隔ｄに関係する位相差になることである。図７ａで展開されている光路で最もよく分かるように、二つの分光Ａ１，Ａ２ないしＢ１，Ｂ２は、測定方向Ｘに対して直角であり衝突点２を含む面に関して非対称に進む。

加えて分かるのは、二つの分光光束ＡとＢが対称なことであり、それは、二つの分光光束からの位置情報の加算によりＸ方向での移動情報を、そして減算により走査検知間隔ｄの変化を求めるために必要である。分光光束Ａの二つの分光Ａ１，Ａ２を前記の面で映すと、光束Ｂが得られる。

同じく認められることは、回折円筒レンズ（衝突点４ａ〜４ｄを含む光学構造Ｏ４）、ミラー（衝突点５ａ〜５ｄを含む光学構造Ｏ２）、別の回折円筒レンズ（衝突点６ａ〜６ｄを含む光学構造Ｏ４）の組み合わせであり、それを使って、走査検知尺Ａの傾斜動作を補正するために全ての分光Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の逆反射を行う。

衝突点８ｂないし８ａでは、二つの分光光束ＡとＢの分光を一緒にして干渉させる。そして点９ａと９ｂで二つの光線が、走査検知尺Ａを出て方向転換要素Ｕの方向に向い、その光線から公知の方法で必要な周期的信号を得ることができる。

経路長さが異なることの欠点、従って分光光束の中で分光の位相差の欠点は、光の波長の変化も走査検知ヘッドＡＫのディテクタにおける周期的な信号になることである。

第二実施例では、干渉させる分光の位相差を作動点において、即ち、規定の走査検知間隔において消滅することにより、位置測定（Ｘとｄ）が波長と関係することを、少なくとも減少する方法を示している。

図８〜１０において本発明の第二実施例を示している。図示の形式は、図５〜７における従来技術の図示に類似して選んでおり、色々な光線の衝突点に通し番号を付すと共に、関係する境界面での異なった外観を図示している。図８〜１０を一緒に見ることにより、第二実施例の光路を完全に追随できる。

同じく、この実施例の幾つかの詳細について触れることにする：
図８ａないし８ｂは、走査検知尺Ａの（まず光源の光が当たる）上側ないし下側（ないし走査検知尺Ａは第一方向Ｘで延伸しているので、それぞれその一部分）を、その色々な光学構造Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４，Ｏ５を使って示している。これらの構造は、第一方向（即ち測定方向）Ｘに関して並進不変であるか、即ち、透光する範囲Ｏ１、鏡面Ｏ２、Ｙ方向で変化する格子周期を有すると共に線の方向が測定方向Ｘに対して平行である一次元格子Ｏ４のようであるか、それとも周期的であるか、即ち、線の方向が測定方向Ｘに対して直角である規則的な格子Ｏ３のようであるか、あるいは格子周期が測定方向Ｘで一定であるが第二方向Ｙで変化する二次元格子Ｏ５のようであるか、のいずれかである。以上により、適切な走査検知尺Ａのための前述条件が、同じく満たされている。

図８ｃは、基準尺Ｍの（まず光源ＬＱの光が当たる）上側（ないし基準尺Ｍは第二方向Ｙで延伸しているので、その一部分）を、その色々な光学構造Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３を使って示している。これらの構造は、同じく第二方向Ｙに関して並進不変である。

図９ａと９ｂでは方向転換要素Ｕを図示しており、それを使うことにより光源ＬＱの光が、走査検知ヘッドＡＫから走査検知尺Ａの方に、又はこれから逆に走査検知ヘッドＡＫにあるディテクタＤＥＴの方に向けられる。

特に図９ｂと１０ａを一緒に見て分かるように、走査検知尺Ａの下側の衝突点２でまず三つの分光への分割が行われ、そのうちの二つが基準尺Ｍの上側の衝突点５ａと５ｃに到達し、そこでは格子で逆に走査検知尺Ａの方に反射される。しかしながら第三の分光は、基準尺の上側にある透明な範囲（衝突点３）を通過して、基準尺Ｍの背面側にある反射範囲（衝突点４）に当たり、そこで反射されてその前面側で衝突点５ｂにおいて基準尺Ｍを出る。衝突点５ａ，５ｂ，５ｃにおける分光の位相状態を比較すると、分光すべてが同じ長さの経路を進んだ。

衝突点５ｂからの分光は衝突点８ｂで分割されて、分光光束Ａの分光Ａ２と分光光束Ｂの分光Ｂ２を形成する。これらは二つとも再び同じ長さの経路を進む。
基準尺Ｍを通過する追加的な経路は一定であるので、位相差が特定の走査検知距離ｄ、作動点に対してのみ消滅する。よって光の波長変化が、作動点において位置測定を誤らせない。しかしながら走査検知距離ｄが変化すると、分光の位相差が分光光束Ａ，Ｂの中で変化し、ディテクタが周期的な信号をつくりだす。分光ＡとＢからつくり出された位置変化の差異形成により、同じく走査検知距離ｄの変化が得られる。

この実施例でも図１０ａにおいても、それぞれ測定方向Ｘに対して直角な面に関して分光が、分光光束Ａ，Ｂの中で非対称であること、そして二つの分光光束Ａ，Ｂ間で対称であることが分かる。

走査検知尺Ａの傾斜動作を補正する仕組みが、この実施例でも分かる：分光が、衝突点６ａ，６ｂ，６ｃで第一回折円筒レンズを通過し、それが衝突点７ａ，７ｂ，７ｃで光をミラーに集束し、そこから光は第二回折円筒レンズに向かって衝突点８ａ，８ｂ，８ｃに達する。

そのとき第二円筒レンズは、更に第二の機能を満たす。既に前述しているように、基準尺基板を通過して追加的な経路を経た中央の分光は、衝突点８ｂで分光Ａ２ないしＢ２に分割される。

分光光束ＡとＢのための衝突点８ａ，８ｂ，８ｃにおいて、Ｘ方向で同時に異なった回折する時にＹ方向では共通したレンズ作用を行わせるために、光学構造Ｏ５は、Ｙ方向で変化する第一周期性およびＸ方向で一定である第二周期性を有している。即ち、局所的に十字格子またはチェス盤模様となっており、その周期はＹ方向で変化するが、Ｘ方向では一定である。それによりこの光学構造Ｏ５も、それがＸ方向で周期的であるという重要な条件を満たしており、よって、それを走査検知尺Ａに任意の長さで設けることができる。

格子にある各周期性または周波数が独自の回折次数を生み出すので、個々の回折次数における、それにより分光における強度は、存在する周期性の数と共に減少する。ディテクタＤＥＴで良好な信号を得るためには、使用する光学構造Ｏ１〜Ｏ５の有する周期性または周波数は局所的に最大二つであることに注意すべきであろう。この境界条件は、両方の実施例で満たされている。透明な範囲Ｏ１および鏡面Ｏ２は周期性を全く含まず、一次元格子Ｏ３は周期性を有している（それは、格子周期が局所的に変化している時も部分的な観察で当て嵌まる）。唯一、第二実施例の光学構造Ｏ５が−局所的な観察時に−二つの周期性を含んでいる。

この境界条件は例えば、分光の分割または統合、分光の方向決め、あるいは分光の集束のような多すぎる機能を、走査検知プレートＡまたは検知尺Ｍの個々の境界面に設けないように作用している、それどころか必要な機能を、光学構造Ｏ１〜Ｏ５において有する周期性ないし周波数は局所的に最大二つであるという条件を満たすことができるように、配分せねばならない。

説明した二つの実施例においては、傾斜動作を補正するために必要な逆反射を走査検知尺Ａで行う。勿論、この機能を基準尺Ｍで実施することも可能である。また走査検知尺Ａと基準尺Ｍという表現も任意であり、最終的に対象になるのは交差した二つの基準尺体であり、そのうちの一つが少なくとも部分的に透明であり、他が少なくとも部分的に反射性でなければならない。

実施例では走査検知尺Ａが測定方向Ｘに延伸しており、よって測定方向Ｘに対して直角且つその延伸方向に対して直角である線を有する格子が付いている。しかしながら走査検知尺Ａは、格子線が延伸方向に対して平行に付いている時には、例えば最初に引用した特許文献１の図６で示しているように、測定方向Ｘに対して直角にも配設できる。そして基準尺格子の線方向は、同じく対応して回転している。

二つの基準尺体、即ち走査検知尺Ａと基準尺Ｍは、必ずしも直線的である必要はない。二つが一つの面を定義する限り、二つの方向Ｘ，Ｙの一つが円弧または、移動量を相対的に測定する別の彎曲した軌道を示すことも想定できる。以上のようにすることで例えば、円弧上の経路、それにより角度を測定することができる。

全ての実施例において、図によれば分光Ａ１，Ａ２ないしＢ１，Ｂ２が一緒になった後に、分光光束Ａ，Ｂあたり一つの光線がディテクタ方向に走査検知プレートを出て行く。しかしながら、そこでは分光光束あたり、位相がずれた複数の信号が複数のディテクタで形成されねばならない。そのために、二つの示した光線とは別の回折次数を引用するか、または光路において位相をずらす追加の要素、偏光器、分光器を使って、ディテクタ用の対応する光線をつくるかのいずれかを行う。そのような方法は専門家には一般的であり、ここでは詳細には記載しない。

チルト動作を補正するために必要な逆反射の前に、回折円筒レンズおよびミラーを使って、全ての関係する分光を平行または少なくとも、測定方向Ｘにおける方向成分が量的に同じとなるように方向付けると利点がある、というのは、全ての分光に対して同じ円筒レンズを使用できるからである。

Ａ 走査検知尺
Ａ 分光光束
ＡＫ 走査検知ヘッド
ＡＰＯ 走査検知プレート上側
ＡＰＵ 走査検知プレート下側
Ｂ 分光光束
ＤＥＴ ディテクタ
ＬＱ 光源
Ｍ 基準尺
ＭＶ 基準尺体
Ｏ１〜Ｏ５ 光学構造
Ｔ テーブル
Ｕ 方向転換ミラー
ＷＳ 加工品
ＷＺ 工具
Ｘ 第一方向
Ｙ 第二方向
Ｚ 第三方向

Claims (14)

1. 走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）を備えた光学式位置測定装置であって、走査検知尺（Ａ）が二つの方向（Ｘ，Ｙ）の第一および第二方向のうち一方の方向で延伸し、基準尺（Ｍ）が前記第一および第二方向（Ｘ，Ｙ）のうち他方の方向へ延伸しており、基準尺（Ｍ）が第一および第二方向（Ｘ，Ｙ）に対して直角な第三方向（Ｚ）で、走査検知尺（Ａ）に対して走査検知間隔（ｄ）だけオフセットして配設されており、更に光源を備えており、その光が走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）の交点で走査検知尺（Ａ）を通過し、それにより基準尺（Ｍ）に当たって、そこから走査検知尺（Ａ）に向かって戻り、更にディテクタに到達し、そのとき光が走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）の光学構造（Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４，Ｏ５）において回折により異なった分光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）に分割されて再び一緒にされ、第一方向（Ｘ）で走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）間が移動する時に、互いが一緒になった分光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）の干渉によりディテクタで周期的な信号を発生する光学式位置測定装置において、
   走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）間の走査検知間隔（ｄ）が変化する時にも、ディテクタで周期的な信号が発生することを特徴とする、光学式位置測定装置。
2. 請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
   ディテクタ信号が、第二方向（Ｙ）で走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）間が移動する時に不変のままであることを特徴とする、光学式位置測定装置。
3. 請求項１または２に記載の光学式位置測定装置において、
   分光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）がグループ（Ａ，Ｂ）を形成しており、そのとき第一グループ（Ａ）の分光（Ａ１，Ａ２）と第二グループ（Ｂ）の分光（Ｂ１，Ｂ２）が互いの間で、走査検知間隔（ｄ）に関係する位相差を有していることを特徴とする、光学式位置測定装置。
4. 請求項３に記載の光学式位置測定装置において、
   位相差が特定の走査検知距離（ｄ）に対して消滅することを特徴とする、光学式位置測定装置。
5. 請求項４に記載の光学式位置測定装置において、
   各グループ（Ａ，Ｂ）の中の分光（Ａ１，Ｂ１）それぞれが、基準尺（Ｍ）または走査検知尺（Ａ）の透明な基板の中の追加的な経路を経ることを特徴とする、光学式位置測定装置。
6. 請求項３、４、または５に記載の光学式位置測定装置において、
   第一グループ（Ａ）の分光（Ａ１，Ａ２）が、第一方向（Ｘ）に対して直角な面に関して第二グループ（Ｂ）の分光（Ｂ１，Ｂ２）に対して鏡面対称に進むことを特徴とする、光学式位置測定装置。
7. 請求項３、４、５、または６に記載の光学式位置測定装置において、
   第一グループ（Ａ）の分光（Ａ１，Ａ２）ないし第二グループ（Ｂ）の分光（Ｂ１，Ｂ２）が互いの間で、第一方向（Ｘ）に対して直角な面に関して非対称に進むことを特徴とする、光学式位置測定装置。
8. 請求項３から７のいずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
   分光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）が逆反射を受けることを特徴とする、光学式位置測定装置。
9. 請求項８に記載の光学式位置測定装置において、
   分光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）が、逆反射の前後で平行に進むことを特徴とする、光学式位置測定装置。
10. 請求項８または９に記載の光学式位置測定装置において、
    逆反射が、少なくとも一つの回折レンズ（Ｏ４，Ｏ５）および鏡面（Ｏ２）を使って行われることを特徴とする、光学式位置測定装置。
11. 請求項３から１０のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
    各グループ（Ａ，Ｂ）の干渉する分光（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）から、それぞれ互いに位相がずれたディテクタ信号が発生し、そのとき第一グループ（Ａ）および第二グループ（Ｂ）の異なった組み合わせにより、一方で第一方向（Ｘ）において走査検知尺（Ａ）と基準尺（Ｍ）間の移動量、他方で走査検知間隔（ｄ）の変化を求めることができることを特徴とする、光学式位置測定装置。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
    走査検知尺（Ａ）にある光学構造（Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４，Ｏ５）が、第一方向（Ｘ）に関して周期的または並進不変であることを特徴とする、光学式位置測定装置。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
    基準尺（Ｍ）にある光学構造（Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４，Ｏ５）が、第二方向（Ｙ）に関して周期的または並進不変であることを特徴とする、光学式位置測定装置。
14. 請求項１２または１３に記載の光学式位置測定装置において、
    光学構造（Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４，Ｏ５）の有する周期性が、局所的に最大２つであることを特徴とする、光学式位置測定装置。

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