JPH0360044B2 - - Google Patents

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JPH0360044B2
JPH0360044B2 JP13313983A JP13313983A JPH0360044B2 JP H0360044 B2 JPH0360044 B2 JP H0360044B2 JP 13313983 A JP13313983 A JP 13313983A JP 13313983 A JP13313983 A JP 13313983A JP H0360044 B2 JPH0360044 B2 JP H0360044B2
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JP
Japan
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light
mirror
reflected
scale
half mirror
Prior art date
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JP13313983A
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English (en)
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JPS6024414A (ja
Inventor
Koji Akyama
Hideto Iwaoka
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
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Publication of JPS6024414A publication Critical patent/JPS6024414A/ja
Publication of JPH0360044B2 publication Critical patent/JPH0360044B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、位置検出装置に関するものであつ
て、詳しくは、高精度、高分解能で2次元方向の
位置検出が行える装置を提供するものである。
近年の半導体技術の進展に伴ない、超LSI製造
装置や電子露光装置において、各種のサブミクロ
ン領域の位置検出装置が用いられている。
しかし、このような位置検出装置の多くはHe
−Neレーザを用いたレーザ干渉計を使用してい
るために、小型化が困難であり、構成が複雑にな
る傾向が見られる。また、操作、調整に熟練が要
求され、扱いにくい。2次元方向の位置検出を行
う装置ではその傾向はより強くなる。
本発明は、このような従来の欠点を解決したも
のであり、円偏光を出力する可干渉性光源と、2
次元方向に回折格子が形成され円偏光が照射され
る反射形のスケールと、スケールの反射回折光を
各方向毎に特定の角度で反射させるミラーと、ミ
ラーで特定の角度で反射された反射回折光を各方
向毎に干渉させて各方向毎に90度位相の異なる第
1、第2の干渉光強度信号とする第1、第2のハ
ーフミラーと、ミラーで反射され各ハーフミラー
に入射される反射回折光の偏光面を入射面と平行
にする偏光板と、各ハーフミラーから出力される
90度位相の異なる第1、第2の干渉光強度信号を
それぞれ電気信号に変換する4個の受光素子と、
これら受光素子の出力信号に基づいてスケールの
各方向毎の移動量を演算する演算回路とで構成さ
れたことを特徴とする。
以下、図面を用いて詳細に説明する。
第1図は、本発明の一実施例を示すブロツク図
であつて、1は可干渉性光源、2は1/4波長板、
3は反射形のスケール、4X,4Y,5X,5Y
はミラー、6X,6Y,7X,7Yは偏光板、8
X,8Yはハーフミラー、9X,9Y,10X,
10Yは受光素子、11X,11Yは演算回路、
12X,12Yは表示回路である。
可干渉性光源1としては、例えばレーザダイオ
ードを用いる。1/4波長板2は、レーザダイオー
ド1の出力光を円偏光にするものである。スケー
ル3には、2次元方向に回折格子が設けられてい
る。ミラー4X,5XはX方向の±1次回折光を
第1のハーフミラー8Xで干渉させるように反射
させ、ミラー4Y,5YはY方向の±1次回折光
を第2のハーフミラー8Yで干渉させるように反
射させる。偏光板6X,6Y,7X,7Yはミラ
ー4X,4Y,5X,5Yで反射された回折光の
偏光面がそれぞれのハーフミラー8X,8Yの入
射面に対して平行になるように偏光角が設定され
ている。ハーフミラー8X,8YはそれぞれX、
Y方向の反射回折光を干渉させて90度位相の異な
る第1、第2の干渉光強度信号を送り出すもので
あり、例えば金属薄膜ハーフミラーを用いる。受
光素子9X,9Y,10X,10Yは、各ハーフ
ミラー8X,8Yから出力される90度位相の異な
る第1、第2の干渉光強度信号をそれぞれ電気信
号に変換するものであり、例えばPINフオトダイ
オードを用いる。演算回路11X,11Yは、こ
れら受光素子9X,9Y,10X,10Yの出力
信号に基づいてスケール3のX、Y各方向の移動
量を演算する。表示回路12X,12Yは、演算
回路11X,11Yの演算結果を表示する。な
お、これら可干渉性光源1、1/4波長板2、ミラ
ー4X,4Y,5X,5Y、偏光板6X,6Y,
7X,7Y、ハーフミラー8X,8Y、及び受光
素子9X,9Y,10X,10Yは読取ヘツド
HDとして共通のケースに収納することができ
る。
このように構成された装置は、次のように動作
する。
レーザダイオード1の出力光は1/4波長板2で
円偏光にされてスケール3に照射される。スケー
ル3には2次元方向に回折格子が形成されている
ので、照射光は回折する。このときの回折角θ
は、スケール3のピツチをd、レーザダイオード
1の波長をλとすると、 Sinθ=m・λ/d(m;整数) 但し−90゜≦θ≦90゜、−1≦m・λ/d≦1と
する。ここで、例えば、λ=0.78μm、d=0.83μ
mとすると、m=0、±1となり、 θ=0゜(m=0で0次回折光) θ=±70.0゜(m=±1で±1次回折光) となる。X方向の±1次回折光はハーフミラー8
Xに入射するようにミラー4X,5Xで反射さ
れ、Y方向の±1次回折光はハーフミラー8Yに
入射するようにミラー4Y,5Yで反射される。
なお、ミラー4X,4Y,5X,5Yで反射され
るこれら各±1次回折光はほぼ円偏光になつてい
るので、偏光板6X,6Y,7X,7Yを通して
所定の偏波光のみを取り出すようにする。ハーフ
ミラー8X,8Yは、入射されるこれら各±1次
回折光を混合して干渉させる。このとき、干渉し
た光には90゜の位相差を持たせなければならない。
以下にその方法を説明する。第2図はハーフミラ
ー8Xで干渉するときの様子を示す図である。図
において、Aはガラス、Bは金属半透過面であ
る。一般に、金属面での反射の際には位相が遅
れ、ガラス面での反射及び透過では位相は遅れな
い。すなわち、−1次回折光のハーフミラー8X
での反射による位相遅れをδr1、+1次回折光のハ
ーフミラー8Xでの反射による位相遅れをδr2
ガラス媒質中での位相遅れをそれぞれδt1〜δt3
する。+1次回折光がハーフミラー8Xで反射透
過して受光素子9X,10Xの方向に行く光をP
1、Q+1、−1次回折光がハーフミラー8Xで
反射透過してて受光素子9X,10Xの方向に行
く光をP−1、Q−1とする。これら4つの光束の
位相遅れは、それぞれ次のようになる。
P+1;δt1+δr2+δt2 P−1;δt3 Q+1;δt1 Q−1;δr1 従つて、P+1とP−1との位相差Δ1及びQ+1
とQ−1との位相差Δ2は、それぞれ次式で表わさ
れる。
Δ1=δt1+δr2+δt2−δt3 Δ2=δt1−δr1 ここで、P+1とP−1の光路を一致させると
δt1=δt2となる。これにより次式が成立する。
Δ1=δt1+δr2 このようにして、P+1とP−1及びQ+1とQ
1がそれぞれ干渉し、受光素子9X,10Xに
入射される。このとき、受光素子9X,10Xの
出力の位相差をαとすると、 α=Δ1−Δ2 =δt1+δr2−δt1+δr1 =δr1+δr2 となる。すなわち、受光素子9X,10Xの出力
の位相差はδr1、δr2のみで決まり、ハーフミラー
8Xのガラスの厚さに無関係である。
金属面でのδr1、δr2の値は、入射角φと入射光
の偏光面の角度によつて決まる。δr1、δr2が最大
になるのは偏光面を第2図にとつたときで、この
ときフレネルの公式及び屈折の法則より次式が成
立する。
Rp={tan(φ−χ)}・Ap/tan(φ+X) sinX=sinφ/n(1+i・k) 但し、Rp;反射光複素振幅 Ap;入射光複素振幅 X;複素屈折角 n;金属の屈折率 k;減衰定数 上式からXを消去すれば、反射光の位相遅れδ
は次式で示される。
δ=tan-1[2・n・k・tanφ・sinφ(tan2φ +1)/{(tan2φ(n2+(n・k)2) −(sin2φ(tan2φ+1)2}] 第4図中にα=2・δと仮定してAuとNiの
n・k値を代入したものを示す。
しかし、ハーフミラーの場合には、金属面の他
にガラス面での反射があると考えられる。ガラス
面での反射はブリユータス角を境にして位相が
180゜反転する。そこで、ハーフミラーの場合、入
射角φと受光素子9X,10X間の位相差αの関
係を実測すると、第3図のようになり、金属面反
射の特性とガラス面反射の特性を合せ持つインコ
ネルハーフミラーの場合、φが約75゜でαは90゜と
なる。図において、横軸は入射角φを表わし、縦
軸は受光素子9X,10X間の位相差αを表わし
ている。従つて、この出力によりスケール3の移
動方向が判別でき、正弦波の波の数を計数するこ
とにより移動量がわかる。そして、このように受
光素子9X,10X間の位相差αは正確に90゜に
なつているので、さらにアナログ的に補間して1/
100〜1/1000μmの超高分解能を得ることができ
る。このように構成した場合、スケール3に照射
される光ビームの径を4〜5mm、スケール3のピ
ツチdを0.8μmとすると、このビーム径の中に格
子は約5000本存在することになり、このすべての
格子で1本の干渉縞を作ることになる。従つて、
スケール3の格子欠陥や小さなピツチむらあるい
はスケール3に付着したゴミや汚れの影響も非常
に小さくできる。なお、第2図ではX方向の±1
次回折光がハーフミラー8Xで干渉するときの様
子について説明したが、Y方向の±1次回折光に
ついてもハーフミラー8Yで同様に干渉動作する
ことになる。
第4図は、本発明に係る装置を用いてX−Yス
テージの位置制御を行う例を示したものである。
スケール3はステージ13上の一角に取り付けら
れている。ステージ13は駆動装置14により読
取ヘツドHDに対して2次元方向に駆動される。
すなわち、駆動装置14は、ステージ13を、読
取ヘツドHD→X信号処理回路15X→X信号偏
差増幅器16X→X信号サーボ増幅器17Xより
なるサーボループでX方向に移動させると共に、
読取ヘツドHD→Y信号処理回路15Y→Y信号
偏差増幅器16Y→Y信号サーボ増幅器17Yよ
りなるサーボループでY方向に移動させる。この
ように構成することにより、1個の読取ヘツド
HDでステージ13の2次元方向の位置を高精
度、高分解能で制御することができ、構成の簡略
化も図れる。
以上説明したように、本発明によれば、一個の
読取ヘツドで2次元方向の位置を高精度、高分解
能で検出測定できる装置が実現でき、2次元方向
の駆動機構を備えた各種の装置の位置検出装置と
して好適である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第2図はハーフミラーで干渉するときの位相関係
の説明図、第3図は入射角と受光素子出力間の位
相差の関係を示す説明図、第4図は本発明に係る
装置を用いてX−Yステージの位置制御を行う例
を示す説明図である。 1……可干渉性光源、2……1/4波長板、3…
…反射形スケール、4X,4Y,5X,5Y……
ミラー、6X,6Y,7X,7Y……偏光板、8
X,8Y……ハーフミラー、9X,9Y,10
X,10Y……受光素子、11X,11Y……演
算回路、12X,12Y……表示回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 円偏光を出力する可干渉性光源と、2次元方
    向に回折格子が形成され円偏光が照射される反射
    形のスケールと、スケールの反射回折光を各方向
    毎に特定の角度で反射させるミラーと、ミラーで
    特定の角度で反射された反射回折光を各方向毎に
    干渉させて各方向毎に90度位相の異なる第1、第
    2の干渉光強度信号とする第1、第2のハーフミ
    ラーと、ミラーで反射され各ハーフミラーに入射
    される反射回折光の偏光面を入射面と平行にする
    偏光板と、各ハーフミラーから出力される90度位
    相の異なる第1、第2の干渉光強度信号をそれぞ
    れ電気信号に変換する4個の受光素子と、これら
    受光素子の出力信号に基づいてスケールの各方向
    毎の移動量を演算する演算回路とで構成されたこ
    とを特徴とする位置検出装置。
JP13313983A 1983-07-21 1983-07-21 位置検出装置 Granted JPS6024414A (ja)

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JP13313983A JPS6024414A (ja) 1983-07-21 1983-07-21 位置検出装置

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JP13313983A JPS6024414A (ja) 1983-07-21 1983-07-21 位置検出装置

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JPS6024414A JPS6024414A (ja) 1985-02-07
JPH0360044B2 true JPH0360044B2 (ja) 1991-09-12

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ID=15097663

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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01291194A (ja) * 1988-05-18 1989-11-22 Tokyo Electron Ltd X−yテーブル
JPH01291101A (ja) * 1988-05-18 1989-11-22 Tokyo Electron Ltd N次元エンコーダ
DE4302313C2 (de) * 1993-01-28 1996-12-05 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Mehrkoordinaten-Meßeinrichtung
JP4779117B2 (ja) * 2006-05-15 2011-09-28 国立大学法人東北大学 Xyz軸変位測定装置

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JPS6024414A (ja) 1985-02-07

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