JPH0648169B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高精度かつ大ストロークな測長装置に関す
る。

［従来の技術］ 従来、高精度測長用としてはレーザ干渉計や格子干渉計
が用いられている。

しかし、これらの干渉計は、例えば100 ｍｍ以上の比較
的大きなストロークの計測が可能である反面、基本的に
は計測光の波長または回折光の次数および偏光状態とい
った光学配置で決まる所定のピッチを単位長さとして測
長するものであるため、分解能が低く、例えばサブミク
ロン以下の微小距離を計測する場合の精度は低い。

そこで、例えば格子干渉計においては、回折光の次数お
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げることが提案されてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、電気的な分割は光量の変動や回折効率の
変動等に強くないので、分解能の向上を電気的な分割の
みに頼るのは望ましくない。

本発明の目的は、ストロークが大きく、且つより安定し
て高分解能が得られる、高精度な測長装置を提供するこ
とにある。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記目的を達成するため、本発明では、第１、第２物体
間の相対位置の変化量を測定するための測長装置であっ
て、所定ピッチの相対変位毎にパルス信号を出力する第
１測長手段と、光源と光位置検出器とを有し該光源から
の光束の入射位置を該光位置検出器で検出することによ
って少なくとも上記所定ピッチの１ピッチ分の範囲で光
反射位置との相対変位量に応じた電気レベル信号を発生
する第２測長手段と、上記第１物体に設けられ且つ該第
１物体に対して相対移動可能な移動部と、上記パルス信
号および上記電気レベル信号に基づいて上記相対位置の
変化量を上記所定ピッチの１ピッチ分より小さな分解能
で測定する演算手段とを具備し、前記第１、第２測長手
段の一方が前記移動部と第１物体との相対変位を検出し
且つ他方が前記移動部と第２物体との相対変位を検出す
るように配置され、前記演算手段は前記移動部の移動に
基づく前記パルス信号および電気レベル信号の変化に基
づいて上記相対位置の変化量の測定を実行することを特
徴とする。

［作用および効果］ 例えば、デジタルオーディオディスク、ビデオディスク
等で用いられている光ピックアップ装置のオートフォー
カス（以下、ＡＦという）で用いられる被走査面位置検
出手段（以下、ＡＦ測長手段という）は、高精度高分解
能であるが、その測長ストロークは極めて小さい。ま
た、このようなＡＦ測長手段ストロークを大きくしよう
とすると精度が低下する。

本発明では、大ストロークの測長は干渉測長計等のよう
に所定単位長さごとにパルス信号を発生する第１測長手
段で行ない。この一定間隔のパルス信号の間をオートト
フォーカス手段等の第２測長手段から発生する微小距離
の変位に応じた電気レベル信号により補間している。従
って、大ストロークの測長に対しては第１測長手段の精
度においてその単位長さに分解する形態にして大ストロ
ーク性を高め、かつ微小距離に対しても第２測長手段の
高い精度および分解能で測長を行なうことができる。

本発明は特に移動部を設け第１、第２測長手段の一方が
移動部と第１物体との相対変位を検出し且つ他方が移動
部と第２物体との相対変位を検出するように配置され、
移動部の移動に基づくパルス信号および電気レベル信号
の変化に基づいて相対位置の変化量の測定を実行するよ
うにしている。これにより、高ストローク測長データと
高分解能測長データの足し合わせを高精度且つ容易に
し、最終的に大ストロークで高分解能な測長データを高
精度に求めることができる。

また、第２測長手段に関して、光源と光位置検出器とを
有し該光源からの光束の入射位置を該光位置検出器で検
出することによって少なくとも上記所定ピッチの１ピッ
チ分の範囲で光反射位置との相対変位量に応じた電気レ
ベル信号を発生する構成にしたことにより、高分解能測
定側の精度が向上し、大ストロークで高分解能な測長デ
ータの最終的な高精度をより確実なものにしている。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る測長装置の外観を示
す。この処理装置は、光プローブを用いて被加工物もし
くは被測定物を加工もしくは測定するものである。

同図において、ＤＳはステージ基台で、この基台ＤＳ上
にＹステージＹＳが、ＹステージＹＳ上にＸステージＸ
Ｓが搭載されている。基台ＤＳにはｙ方向ガイドＹＧ、
ＹステージＹＳにはｘ方向ガイドＸＧが設けてあり、
Ｘ，Ｙの各ステージＸＳ，ＹＳは、それぞれ不図示の
Ｘ，Ｙモータによって駆動され、ガイドＸＧ，ＹＧに沿
ってｘ，ｙ方向に移動する。

ＬＩはＸ，Ｙ各ステージＸＳ，ＹＳの移動量および位置
を計測する大ストローク測長器としてのレーザ干渉測長
器、ＣＰ_ｘ，ＣＰ_ｙは測長器ＬＩから入射したレーザ光
Ｌ_ｘ，Ｌ_ｙを確実に180 ゜反転しもとと平行な光路を経
て測長器ＬＩに戻すためのコーナーキューブプリズムで
ある。ＸステージＸＳ上に点線で示す部分ＤＶは小スト
ロークステージ、高分解能測長装置および光プローブ等
の配置空間である。測長器ＬＩおよびステージ基台ＤＳ
は不図示の定盤上に固定されている。

第２図は、第１図の光プローブ等配置空間ＤＶの部分拡
大図を示す。同図において、ＤＦＳは小ストロークステ
ージ用の基台で、小ストロークステージ用ｙ方向ガイド
ＹＦＧが設けられており、ＸステージＸＳ上に固定され
ている。この基台ＤＦＳ上には小ストロークＹステージ
ＹＦＳがガイドＹＦＧに沿って移動自在に搭載され、Ｙ
ステージＹＦＳ上には小ストロークＸステージＸＦＳが
ＹステージＹＦＳに設けられた小ストロークステージ用
ｘ方向ガイドＸＦＧに沿って移動自在に搭載され、Ｘス
テージＸＦＳには加工または計測のための光プローブＬ
Ｐが固定されている。

この光プローブＬＰの位置は、基台ＤＦＳに取り付けた
ｙ方向基準尺ＳＹとＹステージＹＦＳに取り付けたｙ方
向測長ヘッドＨＹとからなるｙ座標検出用測長器ＭＹ、
およびＹステージＹＦＳに取り付けたｘ方向基準尺ＳＸ
とＸステージＸＦＳに取り付けたｘ方向測長ヘッドＨＸ
とからなるｘ座標検出用測長器ＭＸとにより、基台ＤＦ
Ｓ（すなわちＸステージＸＳ）に対する相対位置座標と
して検出される。一方、小ストロークステージ基台ＤＦ
Ｓの定盤に対する座標は、レーザ干渉測長器ＬＩにより
Ｘ，Ｙ各ステージの位置として計測される。

すなわち、第２図においては、大ストロークステージＸ
Ｓ，ＹＳの移動はレーザ干渉測長器ＬＩで、小ストロー
クの被加工対象物エリアのステージＸＦＳ，ＹＦＳの移
動は測長装置ＭＸ，ＭＹで計測する。このように、或る
特定エリアの移動に対して測長手段を複合構成にし、小
ストローク移動分の測長は大ストロークのステージ移動
分の測長器（レーザ干渉測長器）とは別途設けた測長器
により高精度（高分解能）測長を行ない、大ストローク
移動分の測長器の誤差に依存しないようにすることによ
って、大ストロークかつ高精度の測長を実現することが
できた。

ここで、小ストローク移動分の測長器はストロークが小
である必要はないが、少なくとも上記特定エリアにおい
ては大ストローク移動分の測長器より高精度（高分解
能）であることが必要である。

第３図は、本発明の他の実施例に係る高精度高分解能測
長器を１軸ステージにセットした例を示す。この測長器
は、格子干渉測長器とオートフォーカス装置に用いられ
るフォーカス検出手段とを組合せ、格子干渉測長器の光
学配置で決まる一定間隔のパルス信号の間をフォーカス
検出手段のフォーカス測長出力で補間することにより、
格子干渉測長器の高精度を保ったまま、分解能を高め、
さらなる高精度、高分解能化を図ったものである。この
測長器は、これ自体、上記実施例の全体構成をより具体
的に表わしたものであると同時に、上記実施例の一部で
ある小ストローク移動分の測長器（第２図の測長器Ｍ
Ｘ，ＭＹ）としても好適に使用することができるもので
ある。

第３図において、ＳＲは移動ステージ、ＧＳは基準尺と
しての回折格子、ＭＨは回折格子ＧＳに対する移動ステ
ージＳＲの移動量を計測するための測長ヘッド、ＲＧは
ガイド、ＳＳは送り螺子、ＭＴはモータである。ガイド
ＲＧ，ＲＧおよび回折格子ＧＳは定盤ＳＰ上に矢印Ａで
示す移動ステージＳＲの移動方向と平行に固定され、移
動ステージＳＲはモータＭＴにより回転駆動される送り
螺子ＳＳの作用によりガイドＲＧに沿って矢印Ａの方向
に移動する。

第４図は測長ヘッドＭＨの構成説明図である。

同図において、ＳＰは定盤で、この定盤ＳＰ上には移動
ステージＳＲが移動自在に搭載されるとともに回折格子
ＧＳが移動ステージＳＲの移動方向Ａと平行に固定され
ている。また、移動ステージＳＲには移動方向Ａに垂直
なミラー面を有する平面ミラーＰＭが固定されるととも
に微動ステージ（ＡＦステージ）ＡＦＳが搭載されてい
る。微動ステージＡＦＳはピエゾ駆動機構等のような微
小駆動機構ＰＤを介して移動ステージＳＲに接続されて
おり、この微小駆動機構ＰＤにより移動ステージＳＲに
対して移動ステージＳＲの移動方向（矢印Ａの方向）と
同方向である矢印Ｂの方向に微小量移動可能にしてあ
る。また、微動ステージＡＦＳ上には格子干渉測長系お
よびオートフォーカス（以下、ＡＦという）測長系から
なる測長光学系が設置されている。

この測長光学系は、半導体レーザ等の光源ＬＤ、コリメ
ータレンズＣＬ、ビームスプリッタＨＭ1 ，ＨＭ2 、位
相差板ＦＰ1 ，ＦＰ2 、プリズムミラーまたはコーナー
キューブプリズムＣＣ1 ，ＣＣ2 、偏光ビームスプリッ
タＢＳ、光検出器ＰＤ1 ，ＰＤ2 、対物レンズＬＮ、光
位置検出器（ポジションセンサ）ＰＳ等からなり、光源
ＬＤおよびコリメータレンズＣＬを格子干渉測長系とＡ
Ｆ測長系とで共用する等光学部品の省略を図ってある。

第４図において、光源ＬＤから出射されコリメータレン
ズＣＬにより平行化された光束は、ビームスプリッタＨ
Ｍ1 により２つの光束に分割され、一方は対物レンズＬ
Ｎに、他方はビームスプリッタＨＭ2 を経て回折格子Ｇ
Ｓに入射する。

回折格子ＧＳに入射した光は、回折格子ＧＳにより回折
され、回折格子ＧＳの位相δが回折波面に加算され、入
射光の初期位相を０とすると回折波の位相光は exp｛ｉ
（ωｔ＋ｍδ）｝となる。ここでｍは回折次数であり、
例えば＋１次光と−１次光はそれぞれ exp｛ｉ（ωｔ＋
δ）｝と exp｛ｉ（ωｔ−δ）｝となる。＋１次光であ
る光線Ｌ11と−１次光である光線Ｌ12は、それぞれ位相
差板ＦＰ1 ，ＦＰ2 を経由してコーナーキューブプリズ
ムＣＣ1 ，ＣＣ2 に入射し、ここで入射方向と平行方向
逆向きに反射される。反射された光線Ｌ11，Ｌ12は、位
相差板ＦＰ1 ，ＦＰ2 を往復２回経由することにより右
回りおよび左回りの円偏光にされ、回折格子ＧＳの点Ｐ
1 に対し移動ステージＳＲの移動方向（矢印Ａの方向）
に離れた点Ｐ2 において再び回折され、さらにビームス
プリッタＨＭ2 を介して偏光ビームスプリッタＢＳに入
射する。この偏光ビームスプリッタＢＳに入射した右回
りおよび左回りの円偏光特性を有する光線Ｌ11，Ｌ12
は、偏光ビームスプリッタＢＳを透過および反射する。
透過光ＬR1とＬR2および反射光ＬS1とＬS2はそれぞれ直
線偏光になり、互いに干渉し合って光検出器ＰＤ1 ，Ｐ
Ｄ2 に入射する。

光検出器ＰＤ1 およびＰＤ2 は２つの円偏光の直交成分
を干渉光強度として検出するため、回折格子ＧＳに対し
て測長ヘッドＭＨ（ＡＦステージＡＦＳ）が移動した場
合の光検出器ＰＤ1 ，ＰＤ2 の出力Ｒ，Ｓは、第５図
（ａ），（ｂ）に示すように90゜の位相差を有する。こ
の２つの信号Ｒ，Ｓを一定レベルを基に（ｃ），（ｄ）
に示すように不図示の回路によってそれぞれ２値化し、
その立上りと立下りのタイミングで（ｅ）に示すように
１周期当たり４個のパルスを発生させ、そのパルス数を
計数することによって測長ヘッドＭＨと回折格子ＧＳの
相対移動量を計測することができる。この場合、回折格
子ＧＳの１ピッチ分の移動に対する干渉光の強度変化の
周期は４周期となり、パルス数は16個となる。また、こ
のパルス計数時には上記相対移動の方向を検出し、その
検出結果に応じて計数値を加算するか減算するかを決定
する。移動方向は、第５図（ｅ）の各パルスの発生タイ
ミングにおける信号（ｃ），（ｄ）のレベルにより判別
することができる。例えば信号（ｃ）の立下りタイミン
グにおける信号（ｄ）のレベルは、正方向移動時が
“Ｈ”であるとすれば、逆方向移動時には“Ｌ”とな
る。

さらに、第５図（ａ），（ｂ）に示す信号Ｒ，Ｓを加算
および減算して信号Ｒ，Ｓに対して45゜ずつ位相の異な
った信号Ｒ＋Ｓ，Ｒ−Ｓを作成し、これらについても上
記同様に２値化し、立上りおよび立下りのタイミングで
パルスを発生するようにすれば、回折格子ＧＳの１ピッ
チ分の移動について32個のパルスを発生させることがで
きる。但し、この場合、これらの信号を確実に処理する
ためには、光量および回折効率の変動等を考慮する必要
がある。

第６図は、格子干渉測長器の原理説明図である。

同図において、回折格子ＧＳに入射したコヒーレント光
は±１次光として回折する。この回折光の位相は格子Ｇ
Ｓが移動するとその移動する方向により変化する。図に
示すように回折格子ＧＳがｘ方向に１ピッチ移動すると
＋１次回折光Ｌ11は位相が１波長進み、−１次回折光Ｌ
12は１波長遅れる。これらの回折光Ｌ11，Ｌ12は、コー
ナキューブＣＰ1 ，ＣＰ2 により戻され、格子ＧＳによ
り再び回折されると先の＋１次回折光Ｌ11はさらに１波
長進み、−１次回折光Ｌ12は１波長遅れる。そのため、
最終的にＬ11とＬ12を合波させた干渉光は、回折格子Ｇ
Ｓが１ピッチ移動すると明暗が４回変化する。従って回
折格子の１ピッチが1.6 μｍとすると1.6 μｍの1/4 、
つまり 0.4μｍおきに明暗が変化する。この明暗の変化
を光電変換し、明暗をカウントすることにより 0.4μｍ
おきのパルスを得ることができる。上述した第４図の干
渉測長系においては、分解能をさらに高くするため、電
気的処理により、回折格子の１ピッチ当たり16または32
個、つまり 0.1μｍまたは0.05μｍおきにパルスを発生
している。

次に、格子干渉測長器の方向を検知する方法について説
明する。

測長方向を検出するためには90゜位相を変えた２つの信
号を取り出す必要がある。

第６図に示すように、直線偏光のコヒーレント光をλ/4
板ＱＷ1 ，ＱＷ2 をそのファースト軸に対して45゜に入
射させて透過させることにより円偏光にすることができ
る。

＋１次の回折光と−１次の回折光を例えばそれぞれ左回
り右回りの円偏光にして合波すると合波光は直線偏光に
なる。

その直線偏光の偏光方位は、±１次光の位相差φによっ
て決まる。

今、＋１次光による左回り円偏光を ｙ_＋＝ａ exp｛ｉ（ωｔ−φ／２）｝ ｘ_＋＝ａ exp｛ｉ（ωｔ−π／２−φ／２）｝ −１次光による左回り円偏光を ｙ₋＝ａ exp｛ｉ（ωｔ＋φ／２）｝ ｘ₋＝ａ exp｛ｉ（ωｔ−π／２−２＋φ／２）｝ で表わすと、これらを合波したときの平面波は ｙ＝ｙ_＋＋ｙ₋ ＝ａ｛ exp（ｉφ／２） ＋ exp（−ｉφ／２）｝ ｘ＝ｘ_＋＋ｘ₋ ＝ａ｛ exp（ｉφ／２） − exp（−ｉφ／２）｝ となり、これは第７図に示すように偏光方向θがφ／２
である直線偏光であることがわかる。

ここで、ａは光波の振幅、ωは光波の角周波数を表わ
す。

従って、第６図で格子ＧＳをｘだけ移動することにより
±１次光の位相差φは、格子ＧＳのピッチをｐとすれ
ば、 なる位相差を得る。そのため、±１次光の合波の偏光方
位θは となる。

この直線偏光の合波は第６図に示すようにビームスプリ
ッタＨＭ3 で分けられ、偏光板ＰＰ1 ，ＰＰ2 を通過後
ディテクタＰＤ1 ，ＰＤ2 に入る。２つの偏光板ＰＰ1
，ＰＰ2 の透過軸に45゜の差をつけておくと、例えば
第１の偏光子ＰＰ1 を通過後のディテクタＰＤ1 がθ＝
０のときに光量のピークを検出する場合、第２の偏光子
ＰＰ2 を通過後のディテクタＰＤ2 では つまり、 のときに光量がピークになる。これは第１の偏光子によ
るディテクタＰＤ1 の信号に比べて90゜位相差のついた
信号となる。これにより測長方向の判別が可能となる。

次に、より繰返し精度の高いパルス信号を発生する方法
を説明する。

第３図の測長器における精度（分解能）は、後述するよ
うに、例えば0.01μｍ〜0.002μｍである。このＡＦ測
長系の高精度を最大限に生かすためには、干渉測長系に
おいて繰り返し精度の高いパルス信号を発生することが
必要である。この繰り返し精度はＡＦで分解される精度
0.002 μｍ以下の繰り返し精度が必要となる。

上述のように電気的処理により格子１ピッチ当たりのパ
ルス数を増加する方式において、精度を悪くする要因
は、光量の変動や回折効率の変動などである。例えば、
第５図の（ａ），（ｂ）に示されているような信号Ｒ，
ＳにＤＣレベルの変動や振幅の変動があるとスライスす
る位置Ｖ_SR，Ｖ_SSが変化して繰り返し精度を悪くする。

そこで、ここでは０゜， 180゜信号を使うことを提案す
る。

０゜，180 ゜の信号の差を検出すればＤＣレベルの変動
や振幅の変動は、０゜，180 ゜の２つの信号に共通であ
るために除き取ってしまうことができる。第８図にこの
様子を示す。

０゜，180 ゜の信号を用いると、パルス信号は1/2 波長
ごとに出る。この場合は0.2 μｍおきにパルス信号が出
ることになるがこのまま用いてもよい。

第９図は、この方法を実現するための構成の一例を示
す。すなわち、方位角が０゜，45゜の偏光板ＰＰ1 ，Ｐ
Ｐ2 の他に90゜の偏光板ＰＰ3 を別光路中に設ければよ
い。同図において、ＨＭ3 ，ＨＭ4 はハーフミラー、Ｐ
Ｄ1 ，ＰＤ2 ，ＰＤ3 はディテクタ（光検出器）であ
る。

第４図に戻って、光源ＬＤから出射されコリメータレン
ズＣＬにより平行化され、ビームスプリッタＨＭ1 を透
過した光は、ＡＦ測長系の対物レンズＬＮに入力され
る。

第10図は、ＡＦ測長系の動作説明図である。

同図において、光源ＬＤからの光は、対物レンズＬＮに
対して主光軸から偏心した位置に入射される。そして、
対物レンズＬＮのターゲット（第４図の移動ステージＳ
Ｒに固定された平面ミラーＰＭのミラー面）が合焦位置
（イ）にあるとき、光源ＬＤからの光は第10図の実線の
光路を経て、対物レンズＬＮに対する合焦位置（イ）の
共役（結像）位置に配置されたセンサＰＳ上の中心部
（イ）にミラー面に投影された光点の像を結像する。ま
た、ターゲットＰＭが対物レンズＬＮのデォーカス（非
合焦）位置（ロ）および（ハ）にあるときは、それぞれ
第10図の２点鎖線および破線の光路を経て、センサＰＳ
上の中心部（イ）より離れた位置（ロ）および位置
（ハ）にデフォーカス像を結ぶ。

第11図は、上記各平面ミラーＰＭ位置に対応したセンサ
ＰＳ面上のスポット状態および光量分布を示す。このセ
ンサＰＳ面上のＡゾーンのセンサ信号量とＢゾーンのセ
ンサ信号量との差はいわゆるＳ字カーブ特性を有する。
第12図は、不図示の差動増幅器によって得られるセンサ
信号量Ｉ_ＡとＩ_Ｂの差動信号ΔＩ（＝Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）のデ
フォーカス量（ターゲット位置）に対する関係を示す。
第４図のＡＦ測長系においては、このＳ字特性曲線にお
けるデフォーカス量と差動信号ΔＩとの関係がリニアな
領域を利用する。

次に、第13図のフローチャートおよび第14図と第15図の
出力波形図を参照しながら第３図および第４図の測長器
の動作を説明する。

第３図の測長器は、その全体動作を不図示の中央処理装
置により制御するように構成されている。

まず、電源投入時などの動作開始時は、移動ステージＳ
Ｒを原点へ移動し、移動ステージＳＲが原点に来たとき
カウンタをリセットすることにより初期設定を行ない、
その後、移動ステージ駆動指令の入力を待機する。

待機状態において、ステージ駆動指令が入力されると、
まずＡＦ動作を行なう。つまり、ＡＦ測長系の出力に基
づいてピエゾ微小駆動機構（圧電アクチュエータ）ＦＤ
によりＡＦステージＡＦＳを駆動し、対物レンズＬＮを
平面ミラーＰＭに合焦させる。合焦状態になると、ＡＦ
ステージＡＦＳをその位置で移動ステージＳＲにロック
し、モータＭＴにより移動ステージＳＲを駆動する。

この測長器においては、移動ステージＳＲが動くと、前
述したように、格子干渉測長系の電気回路（図示せず）
から定盤ＳＰに対して固定された回折格子ＧＳの周期ｐ
の1/16ごとにパルス信号が出てくるようになっている
（第５図、第14図参照）。カウンタはこのパルス数の積
算を行なう。

中央処理装置は、移動ステージＳＲの移動時、停止指令
が入力されると、移動ステージＳＲを停止し、カウンタ
によるパルス積算数を算出する。この後、ＡＦステージ
ＡＦＳのロックを解除し、圧電アクチュエータＦＤを駆
動してＡＦ系と格子干渉光学系が載っているＡＦステー
ジＡＦＳを動かし、上で得られた格子干渉測長系のパル
ス信号間のどの位置に移動ステージが来ているのかを検
出する。つまり、第14図に示すように、移動ステージＳ
Ｒが静止した位置をＳ点とし、その時のパルスカウント
数をＮとすると、オートフォーカス手段によりＳ点の位
置がカウント数Ｎと次のＮ＋１の間のどの位置にあるか
を高精度に決定する。

まず、移動ステージＳＲが止まった時のカウンタのパル
ス積算数Ｎを記憶し、圧電アクチュエータＦＤでＡＦス
テージＡＦＳすなわち測長光学系ＭＨを微小量（パルス
間隔分Δｘより僅かに多い程度）動かす。すると、移動
ステージＳＲに対し固定して取付けられている平面ミラ
ーＰＭをターゲットとするＡＦ測長系にデフォーカスが
加わり、第15図に示すように差動出力信号ΔＩ（ＡＦセ
ンサＰＳの差信号Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）が変わる。このとき、デ
フォーカス量と差信号との関係がリニアになる領域内に
ピエゾ駆動量の送り量を設定しておけば、予め差信号と
デフォーカス量の関係が分かっているため、差信号が与
えられればデフォーカス量が一意的に決められる。従っ
て、ピエゾ駆動によりＮ番目のパルスに対応する位置に
微少量移動すればＮ番目のパルスに対応する位置におけ
る差信号が得られ、これをデフォーカス量にしてδとす
るとＮ番目のパルス発生位置Ｎ・Δｘにδを加えた量が
移動ステージＳＲが止まった点Ｓの測長位置となる。こ
こにΔｘは格子干渉測長系のパルス列の周期である。な
お、移動ステージＳＲが静止するまでは光学系の載った
微動ステージＡＦＳはＡＦ信号が０となる位置（合焦位
置）で静止している。

この測長器において、例えば回折格子ＧＳの格子ピッチ
を1.6 μｍとすれば、格子干渉測長系のパルス信号の周
期は0.1 μｍとなる。従って、ピエゾ駆動量を〜0.2 μ
ｍ程度振らせてやれば上記の方法が可能であり、格子干
渉測長装置の高ストロークを保持してＡＦの精度で測長
が達成でき、ステージ等の位置決めが高精度に実現す
る。

例えば、ＡＦ測長の精度は、ＡＦ用対物レンズとして×
100 （ＮＡ≒0.9 ）を用い、ＡＦセンサＰＳとしてＣＣ
Ｄやポジションセンサ等を用いれば0.01μｍ〜0.002 μ
ｍ程度の精度が実現される。この場合、ＡＦ信号のリニ
アな領域は1 μｍ程度である。

なお、第３図の測長器において、ＡＦ光学系は必ずしも
平面ミラーＰＭ位置とＡＦセンサＰＳ位置が結像（共
役）関係になっていなくてもよく、微小ステージＡＦＳ
の移動量に対し、ＡＦセンサの差動信号や光点位置信号
（移動方向に対するデフォーカス量）がリニアもしくは
リニアに近い特性で与えられる系であれば良い。リニア
でない場合は、移動（デフォーカス）量と信号との関係
をリードオンリメモリ（ＲＯＭ）に入れておいて信号に
応じた移動量を読み出すことにより微小移動量を求める
とよい。

このように第３図の測長器は、高ストロークな測長手段
と、移動量に対して信号出力がリニアに近い出力をもつ
光学系とを組合せて高ストロークな測長手段の信号（分
解能）間を埋めることにより、高ストロークな測長手段
の精度をさらに向上している。

これにより、従来の格子干渉計の場合の回折光の次数お
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げる場合に生じる、光量
の変動や回折効率の変動などにより誤差が発生し易いと
いう問題が解決される。

なお第３図の測長器に対して次の点を変形することも可
能である。

例えば、上述において、デフォーカス量δを検出する際
ＡＦステージＡＦＳをＮ番目のパルスとＮ＋１番目のパ
ルスに対応する位置とに微小駆動し、双方の位置におけ
る差信号を検知して上記デフォーカス量δを算出するよ
うにすれば、パルス間隔やＡＦセンサ出力が変動した場
合にも正確なデフォーカス量δを求めることができる。

また、高ストロークな測長手段は格子干渉測長器に限ら
ず、レーザ干渉測長器等の他の方式であってもよい。

また、微動ステージ上に載った光学系は、ＡＦ系の対物
レンズのみと、格子干渉測長器の系であってもよく、Ａ
Ｆ系の全てが微動ステージ上に載っている必要はない。

また、第３図は、１軸の移動について示したが、２軸以
上の測長についても同様に複合構造とすればよい。

また、第４図でＡＦ系はＴＴＬ−ＡＦ方式を示したが、
ＤＡＤ（デジタルオーデオデスク）やビデオデスクの光
ピックアップに用いられるＡＦ系や、カメラのオートフ
ォーカスで用いられているＡＦ系でもよい。

また、上述のように、ＡＦ系はいわゆる結像関係にある
必要はなく、移動方向に対し、センサ信号がリニアに近
い出力が得られればよい。光点がセンサ面上でリニアに
移動する系であれば必ずしも第４図で示す平面ミラー面
上の点とセンサ面上が共役でなくてもよい。

第16図は、本発明の実施例に係る測長装置を測長器ユニ
ットとしてまとめた例である。

この測長ユニットは、ステージ可動部ＳＴ上に光源Ｌ
Ｄ、コリメータレンズＣＬ、偏光ビームスプリッタＨＭ
1 、λ/4板ＱＷ、集光レンズＧＬ1,ＧＬ2 、ＣＣＤ等の
光位置検知センサからなるＡＦ手段ＰＳを配置し、さら
にステージ可動部ＳＴの動きを、ステージ可動部ＳＴに
固定したリニア格子ＧＳとステージ固定部ＳＳに配置し
た読み取りヘッドＨＭでパルス列信号として検出する。

ステージ可動部ＳＴはアクチュエータＡＴにより能動的
に可動する。被検物体ＭＯの測長基準面ＯＳは面精度の
高いミラー面にしてある。

この方式の最大のポイントは、検知処理回路ＥＤにおい
て合焦検知回路ＦＦが、パルス列測長器電気系ＰＣから
パルス信号を受け取るごとにその時点のＡＦ出力値を更
新して記憶することである。

第17図はその動作フローである。また、第18図はパルス
間隔とＡＦ電圧値の例を示している。

被検物体ＭＯが停止したことを確認すると、測長ユニッ
トのアクチュエータＡＴが駆動し、被検基準面ＯＳにオ
ートフォーカスを合焦させようとする。この動きはステ
ージ可動部ＳＴに取り付けてあるスケールＧＳと読み取
りヘッドＭＨで干渉光の光量変化を検出し、パルス列測
長器電気系ＰＣでこの光量変化をパルス信号としてカウ
ントし測長する。この場合の分解能はパルス間隔Δｘ
（第18図）である。

その間にパルス信号を中央演算系ＣＰＵが受け取るごと
にそのときの合焦電圧Ｖ_AFを更新して記憶しておく。オ
ートフオーカス系が合焦信号つまりＶ_AF＝０Ｖを示すと
アクチュエータＡＴは停止する。

そこで中央演算系ＣＰＵではそれまでカウントしていた
カウント数ｊと合焦検知系ＦＦが最後に記憶した合焦電
圧Ｖｊを用いて測長距離ｘを ｘ＝ｊ・Δｘ＋Ｖｊ・ξ と算出する。ここに、Δｘはパルス間隔に対応する移動
距離で例えば0.4 μｍピッチである。またξはＡＦの感
度で予め較正されているものとする。

第19図は、この測長ユニットを２軸に用いた例であり、
半導体露光装置のＡＡ（オートアライメント）用ヘッド
の高精度位置決めに用いたものである。

第20図は、第３図の測長器の回折格子干渉測長系に代え
てレーザ干渉測長系を用いた例を示す。第20図において
第３図と共通または対応する部分については同一の符号
を付してある。第20図において、レーザヘッドＬＺ、干
渉ユニットＩＵおよびコーナキューブプリズムＣＰはレ
ーザ干渉測長系を構成している。干渉ユニットＩＵは定
盤ＳＰに、コーナキューブプリズムＣＰは微動ステージ
ＡＦＳに固定してある。

第21図は第20図の微動ステージＡＦＳ上の測長光学系を
示す。第４図で回折格子干渉測長光学系を構成するため
配置されていたビームスプリッタＨＭ2 、位相差板ＦＰ
1 ，ＦＰ2 、コーナーキューブプリズムＣＣ1 ，ＣＣ2
、偏光ビームスプリッタＢＳおよび光検出器ＰＤ1 ，
ＰＤ2 を除去し、代わりにレーザ光をレーザ干渉ユニッ
トに向けて反射するためのコーナーキューブプリズムＣ
Ｐを微動ステージＡＦＳ上に固定された台ＲＴ上にセッ
トしてある。ＡＦ測長光学系は第４図と同様に構成して
ある。

この測長器においても第３図のものと同様の手順（第13
図参照）および作用で測長が行なわれる。すなわち、粗
動ステージＳＲおよび微動ステージＡＦＳを移動して微
動ステージＡＦＳまたはこれに固定された不図示の光プ
ローブ等の測定対象物が所定の単位長Δｘを移動するご
とにレーザ干渉系からパルス信号が出力され、ＡＦ測長
系のアナログ測長出力によりこのパルス間を補間する。
これにより、大ストローク分の測長に対してはレーザ干
渉測長系の精度が保持したまま、このレーザ干渉測長系
のパルス間を補間したより高分解能（高精度）の測長を
実現することができる。

第22図は、本発明のさらに他の実施例を示す。

同図において、ＳＭは第４図の回折格子ＧＳに相当する
回折格子を設けた基準部材で、相対移動する２物体の一
方に固定してある。同図に図示した基準部材ＳＭ以外の
光学部品は測長ヘッド光学系ＭＨを構成しており、上記
２物体の他方に一体として固定され配置されている。基
準部材ＳＭには、第23図に示すように、格子干渉測長用
の回折格子ＧＳを設けてあり、さらにこの格子ＧＳと平
行にＡＦ測長用のブレーズド格子ＢＧ1 ，ＢＧ2 および
ＡＦ測長基準面としての反射面となる平面ＦＴが設けら
れている。２つのブレーズド格子ＢＧ1 ，ＢＧ2 は互い
に格子ピッチＰ_Ｂの半分だけ基準部材ＳＭと測長ヘッド
光学系ＭＨとの相対移動方向（矢印Ａの方向）にずらし
て配置してある。

第22図において、光源ＬＤ1 、ハーフミラーＨＭ2 、位
相差板ＦＰ1 とＦＰ2 、ミラーＣＰ1 とＣＰ2 、偏光ビ
ームスプリッタＢＳおよび光検出器ＰＤ1 とＰＤ2 は干
渉測長光学系を構成している。この干渉測長光学系およ
び基準部材ＳＭ上の格子干渉測長用格子ＧＳは、第４図
等において説明したパルス列を発生する光学系およびセ
ンサに対応している。

光源ＬＤ2 、コリメータレンズＣＬ、ハーフミラーＨＭ
11，ＨＭ12、対物レンズＬＮ1 ，ＬＮ2 および光位置検
出器ＰＳ1 ，ＰＳ2 は２組のＡＦ測長光学系を構成して
いる。各ＡＦ測長光学系は第４図等において説明したも
のと光学的に等価に構成されている。また、これらのＡ
Ｆ測長光学系は、第24図に示すように、それぞれ基準部
材ＳＭ上のブレーズド格子ＢＧ1 ，ＢＧ2 の表面近傍に
合焦するように配置してある。

さらに、半導体レーザ等の光源ＬＤ3 および光点位置検
出用センサＰＳ3 は、測長ヘッド光学系ＭＨの検出面と
基準部材ＳＭとの相対傾きを検出するためのもので、光
源ＬＤ3 から基準部材ＳＭ上の反射面領域ＦＴに光を投
射し、光点位置検出用センサＰＳ3 において領域ＦＳか
らの反射光を受光して基準部材ＳＭと測長ヘッド光学系
ＭＨとの平行性検出信号を得るようになっている。

第25図は、第22図の格子干渉測長系から出力されるパル
ス列信号と基準部材ＳＭ上のブレーズド格子ＢＧ1 ，Ｂ
Ｇ2 の断面形状（したがってＡＦ測長系の出力）との関
係を示す。ブレーズド格子ＢＧ1 ，ＢＧ2 のピッチをｐ
_Ｂ、高低差をＨとする。ピッチをｐ_Ｂは格子干渉測長系
のパルス列の周期Δｘの偶数倍、例えば10倍にしてあ
る。

この装置における測長時は、格子干渉測長系のパルス列
は図示のように累積数……Ｎ−１，Ｎ，Ｎ＋１，……を
カウントしていく。ブレーズド格子ＢＧ1 ，ＢＧ2 表面
位置を計測する各ＡＦ測長系は、例えば格子ＢＧ1 の段
差の直前で格子ＢＧ2 側のＡＦ測長系に切り換え、さら
に格子ＢＧ2 の段差の直前で格子ＢＧ1 側のＡＦ測長系
に切り換える。つまり測長ヘッドＭＨに対する基準部材
の相対移動が、第25図において基準部材ＳＭがｘ軸の負
の方向に移動するものであるときは、同図に示すよう
に、Ｎ−１番目のパルスのタイミングでＢＧ2 側からＢ
Ｇ1 側への切換を行ない、Ｎ＋４番目のパルスのタイミ
ングでＢＧ1 側からＢＧ2 側への切換を行なう。基準部
材ＳＭの相対移動方向がｘ軸の正の方向であるときは、
逆方向の切換を行なう。基準部材ＳＭが測長ヘッド光学
系ＭＨに対して相対的にどちらに移動しているかは、格
子ＢＧ1 およびＢＧ2 それぞれに対応するＡＦ測長信号
により判別することができる。従って、切換の方向はこ
の判別情報に基づいて行なえばよい。

ブテーズド格子表面近傍に合焦しているＡＦ測長系の出
力信号（ＡＦ信号）は、基準部材ＳＭが相対移動するに
伴いＡＦ測長光学系のデフォーカス量が変化することに
より変化する。従って、基準部材ＳＭのｘ軸方向の移動
をブレーズド格子表面の高低方向の情報として取り出す
ことができる。この場合、ＡＦ測長信号のデフォーカス
量に対する特性がリニアな領域（第12図参照）を利用す
るためには、ブレーズド格子の高さＨをＡＦ信号のリニ
アリテイが保証される高さより小さくする必要がある。
例えば、ブレーズド格子の長辺の中心においてＡＦ系の
センサ面上の差動出力信号ΔＩ（第11および第12図参
照）が０となるように、すなわち合焦するようにしてお
けば第25図のＫ点の位置のときに高低量δの信号が得ら
れ、Ｃ点からＫ点までのｘ軸方向の長さはδ・Ｈ／ｐ_Ｂ
として求まる。よってＣ点に対応するパルス列がＮ番目
であればＫ点の位置はＮ・Δｘ＋δ・Ｈ／ｐ_Ｂとして求
まる。

また、第26図に示すように、干渉測長系からパルス信号
が発生する度にその時点のＡＦ検知電圧Ｖ_AFを記憶し、
次のパルス信号が発生するまではこの電圧Ｖ_AFからの差
電圧に基づいて補間するようにしてもよい。

なお、ＡＦ測長用の光をブレーズド格子に入射する場
合、入射光と反射光との張る面が基準部材ＳＭとの相対
移動方向と直角に近くなるように設定するのが好まし
い。

ブレーズド格子は、Ｓｉウエハの結晶方向とエッチング
スピードとの関係を利用したウェットエッチングによる
製作方法やいわゆるルーリングエンジンによる機械的加
工法やリソグライフィとドライエッチングによる製造方
法等公知の方法により製作することができる。

格子干渉測長用格子のピッチｐを1.6 μｍ、格子干渉測
長系のパルス列周期を0.4 μｍとし、ＡＦ測長系に×10
0 （ＮＡ≒0.9 ）の対物レンズＬＮ1 ，ＬＮ2 を用い、
ブレーズド格子としてピッチｐ_Ｂ≒ 3μｍ、高低差Ｈ≒
1 μｍ、平面ＦＳに対する傾き角θ＝18゜のものを用い
たところ、ＡＦ信号のリニアな範囲は1 μｍ弱であり、
差動出力最大値（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）_max は約２volt、ノイズ
（Ｎ）は５ｍＶであった。Ｓ／Ｎ＝１としたときの差動
出力値ΔＩ（Ｓ）として求められるＡＦ精度は0.0025μ
ｍであった。また、基準格子ＳＭと測長ヘッド光学系Ｍ
Ｈとの相対移動量の測長精度は0.007 μｍであった。

なお、この実施例において、大ストローク測長器は格子
干渉測長器に限らず、レーザ干渉測長器のように測長の
パルス信号が得られる他の方式の測長器であってもよ
い。

また、第22図で各ＡＦ測長系は実施例のＴＴＬ−ＡＦ方
式に限らず、ＤＡＤ（デジタルオーデオデスク）やビデ
オデスクに用いられる光ピックアップ用の方式や、カメ
ラのオートフォーカスに用いられている方式のものを用
いることも可能である。

また、基準部材ＳＭと測長ヘッド光学系ＭＨとはどちら
が移動しても良いし、双方が移動してもよい。

さらに、上記実施例においては、２列のブレーズド格子
を用いているが、第27図に示すように、１列のブレーズ
ド格子に２つのオートフォーカスプローブ系ＰＲ1 ，Ｐ
Ｒ2 をつけてもよい。この場合には、２つのプローブ間
はブレーズド格子の実質的に半ピッチずれた点を狙うよ
うにするのが好ましい。

第22図の測長器においては、格子干渉測長器やレーザ干
渉測長器等のように一定の長さに対応した間隔でパルス
信号を出力する測長器のパルス間を、ブレーズド格子状
部材の表面形状にピントを合せた高精度（高分解能）小
ストロークなＡＦ測長手段の測長値により補間している
ため、パルスを発生する測長器のパルス発生位置の高精
度を保持したまま、パルス間をさらに分解して高精度、
高分解能の測長を実現することができる。

また、ＡＦ測長手段は、ストロークが例えば1 μｍ程度
と極めて小ストロークなため、第３図の実施例において
は、測長ヘッド搭載ステージを移動ステージＳＲと駆動
ステージＡＦＳとの２段構造としているが、ここでは微
小高低差を有する斜面を繰返し配列してなるブレーズド
格子状部材を用いて被測定物体の移動方向の小ストロー
ク分の変位をこの移動方向に対する交差方向の変位に交
換した後、計測するようにしたため、ブレーズド格子状
部材の高低差をＡＦ測長手段のストローク内となるよう
に設定すれば、ＡＦ手段を移動させることなく、大スト
ロークの移動のうちの小ストローク変位分を測長するこ
とができる。

さらに、２例のブレーズド格子状部材をその段差位置を
移動方向にずらして配列したり、１列のブレーズド格子
状部材のおよそ半ピッチずれた点をＡＦ測長のターゲッ
トとしてブレーズド格子状部材の段差の前後でＡＦ測長
の対象部材または位置を切り換え、ブレーズド格子状部
材表面形状不確定な部分でのＡＦ測長信号を使わないよ
うにすることにより、より高精度化を図ることができ
る。

第28図は、コーナーキューブを用いることなく構成した
回折格子干渉測長器を示す。同図において、相対移動回
折格子ＧＳは、相対移動する２物体の一方に固定してあ
り、測長ヘッド部ＭＨは上記２物体の他方に固定してあ
る。

測長ヘッド部ＭＨの光源ＬＤ例えば半導体レーザから出
射されたレーザ光は、コリメータレンズＣＬで平面波と
なり、ハーフミラーＨＭ20で２光束に分けられる。２つ
の光束Ｌ01，Ｌ02はそれぞれλ／4 板ＱＷ1 ，ＱＷ2 に
入射した後固定格子ＧＦ1 ，ＧＦ2 で回折を受け、その
±Ｎ次の回折光ＬN1，ＬN2が相対移動格子ＧＳに入り、
ここで再び反射回折を受け同じ方向に戻って合流する。
この光をハーフミラーＨＭ21〜ＨＭ23で分け偏光板ＰＰ
1 〜ＰＰ4 とセンサ（光検出器）ＰＤ1 〜ＰＤ4 の組合
せで電気信号に変換して取り出す。

ここで、光束Ｌ01，Ｌ02中に置かれているλ/4板ＱＷ1
，ＱＷ2 は、それぞれファースト軸がレーザ光の直線
偏光に対して＋45゜，−45゜になるようにセットしてお
く。また、偏光板ＰＰ1 〜ＰＰ4 は偏光方位がそれぞれ
０゜，45゜，90゜， 135゜になるように角度を設定して
おく。

すると、センサＰＤ1 〜ＰＤ4 へ入射する光量は相対移
動格子ＧＳの移動に伴い、第29図に示すように変化し、
これが光量検出出力として得られる。つまり、各センサ
ＰＤ1 〜ＰＤ4 からは90゜ずつ位相がずれた出力が得ら
れる。

第30図は、第28図の測長器において光源ＬＤの出力波長
が変動した場合の回折光束の状態を示す。第30図におい
て、最良調整状態の光束の光路を実線で、波長が変動し
たときの光路を点線と一点鎖線で示す。波長変動がある
ときのセンサＰＤ1 〜ＰＤ4 の出力は第31図のようにな
り、この出力には相対移動格子ＧＳの移動量に無関係な
いわゆるバイアス量が乗ってくる。この理由は第30図に
示すように斜線で示した干渉エリア以外の干渉縞が立た
ない光束エリアが増えるためであり、波長の変動量によ
り干渉縞が立たないエリアの広さが変わるためである。
従って第31図の光検出器ＰＤ1 〜ＰＤ4 の出力信号波形
に示すような変動が起こる。しかしながら、90゜おきに
位相の変った４つの検出信号をもとに処理をする場合に
は、波長変化が起こったとしても信号の周期に対しての
分割は精度よく行なうことができる。もし、センサを２
個しか使わず、位相が０゜，90゜の２種の信号のみを電
気的に処理することによりセンサを４個使った場合と同
じピッチのパルスを得ようとすれば、波長変動があると
きは得られた信号の電気的な分割精度は悪くなる。これ
は第５〜８図を用いて前述したのと同じである。

また、第６図に示すような構成でＰ1 点で格子ＧＳに入
った光は光源ＬＤの波長が変動すると回折方向（角度）
が変わる。この特性に対応して、コーナーキューブ（プ
リズム）ＣＣ1 とＣＣ2 を配置している。コーナーキュ
ーブとは入射光の方向と同じ方向に反射して光が戻るよ
うに多面間の角度を90゜に加工してなるプリズムであ
る。ところが、このコーナーキューブは加工に高精度が
求められ、そのためにコスト高となる。

第28図の装置においては、移動格子ＧＳの他に測長ヘッ
ド部ＭＨ側にも回折格子（固定格子ＧＦ1 ，ＧＦ2 ）を
設け、固定格子の±Ｎ次光が移動格子により再回折さ
れ、その回折光が光路を同じくしてセンサに至る構成と
している。このため、上述したようにコーナーキューブ
なしでも波長変動時、移動格子の移動に応じて明暗の変
化する干渉光を得ることができる。すなわち、この格子
干渉測長器はコーナーキューブなしで波長の変動に対し
安定性が良いため、装置のコストダウンを図ることがで
きる。また、以下に示すようにＩＣ化が容易になる。

例えば第６図のような構成の格子干渉測長器は光源Ｌ
Ｄ、偏光ミラーＢＳ、コーナーキューブＣＣ1 ，ＣＣ2
、偏光板ＰＰ1 ，ＰＰ2 、検出器ＰＤ1 ，ＰＤ2 等が
別々に組み合さって立体的に構成されていた。そのた
め、光学部材間の機械的変動、温度変化や空気のゆらぎ
により干渉信号に誤差が混入し、測長精度を劣化させる
という不都合があった。また、光源や検出系を別々に取
り付けていたため空間的に占める体積が大きく、小型に
することができなかった。さらに検出系から処理回路に
至るまでの空間的距離のためノイズが入りやすく、測定
精度を悪くする等の問題点があった。

第32図は、格子回折測長器の主要部分をＩＣ化すること
により上記欠点の解消を図ったものである。ここでは、
Ｇa Ａs 基板上に第28図の測長器の測長ヘッド部ＭＨの
光学系に対応する部分と、干渉光の明暗に応じてパルス
を発生する信号処理電気系とを形成した例を示す。

Ｇa Ａs 基板ＳＢ上には誘電体導波路ＷＧ層が形成され
ており予め設定した光路を光波が伝搬する。

光源ＬＤはＧa Ａs 基板ＳＢ上に例えばＭＢＥ（分子線
ビームエピタキシー）等で形成することができる。導波
路ＷＧ中に形成したレンズおよびヒームスプリッタ部Ｌ
Ｓは光源ＬＤからの発散光を平行光にしてから２方向に
分ける。グレーティングカプラＧＣ1 ，ＧＣ2 は薄膜導
波路ＷＧ中を伝搬した光波を空間へある角度で出射す
る。

基準回折格子ＧＳは、第28図の測長器の移動格子ＧＳに
相当するものであり、グレーティングカプラＧＣ1 ，Ｇ
Ｃ2 からの光波を同一方向へ向けて回折する。光検出器
ＰＤは、基準回折格子ＧＳからの回折光の干渉光強度を
検出する。

次に動作を説明する。

光源ＬＤからの光波は導波路ＷＧ中を伝搬し、レンズお
よびビームスプリッタ部ＬＳにより２つの方向の違う平
行光Ｌ01，Ｌ02として導波路ＷＧ中を伝搬する。それぞ
れの光Ｌ01，Ｌ02は基準格子ＧＳの長手方向と平行にな
るようにミラーＭＲ1 ，ＭＲ2 により導波路ＷＧ中で反
射され、グレーティングカプラＧＣ1 ，ＧＣ2 に入る。
グレーティングカプラＧＣ1 ，ＧＣ2 は、それまで導波
路ＷＧ中を伝搬した光波を基板面から、ある設定された
角度で導波面を介して外に出射する。この角度は基準格
子ＧＳのピッチと光の波長とに関係し、ピッチｐ＝1.6
μｍの基準格子を使った場合、波長をλ＝0.83μｍとす
れば出射角は58.8゜となる。

グレーティングカプラＧＣ1 ，ＧＣ2 からの２つの光波
は基準回折格子ＧＳにより垂直回折されて光検出器ＰＤ
に入る。光検出器ＰＤでは２つの回折光の干渉強度を光
電変換する。

次に測長器としての動作原理を説明する。グレーティン
グカプラＧＣ1 ，ＧＣ2 により空間へ出射した光波は基
準格子ＧＳ上で回折するが、そのときの回折光の強度分
布は以下の式で示される。

ここに、ｘは基板と基準格子の相対変化量 ｐは基準回折格子のピッチ ｍはグレーティングカプラＧＣ1 からの光が基準回折格子で回折される回折次数 ｎはグレーティングカプラＧＣ2 からの光が基準回折格子で回折されいる回折次数 である。

今、ｍ＝＋１、ｎ＝−１、ｐ＝1.6 μｍとすると、Ｉは となり、基準格子ＧＳが0.1 μｍピッチ動くごとに１周
期の正弦波信号となることがわかる。検出器ＰＤは、こ
の正弦波信号の周期をカウントすることにより基準格子
ＧＳの移動量を測定することができる。

この格子干渉式測長器は、光源、光学部材および検出系
処理回路を同一基板上で一体化しているため、小型化、
低ノイズ化および高精度化が可能である。

次に、基準格子ＧＳの移動方向を検出する手段について
述べる。

移動方向を検出するには1/4 周期位相のずれた２つの信
号を得る必要がある。

具体的方法としては、例えば第33図のように基準格子Ｇ
Ｓにその移動方向に （例えばｍ＝１，ｎ＝−１とすれば 1/8ピッチ）位相を
ずらして２列の格子線列ＧＬ1 ，ＧＬ2 を形成してお
く。さらに、基板ＳＢ上に各格子線列に対応して２つの
光電検出器ＰＤ1 ，ＰＤ2 を形成しておく。

各格子線列ＧＬ1 ，ＧＬ2 それぞれからの回折光は空間
的に分離された別々のセンサＰＤ1 ，ＰＤ2 で受ける。
これによって得られた信号は第34図に示すように1/4 周
期位相のずれた信号として得ることができる。

第35図は、格子干渉測長器を光ヘテロダイン化した例で
ある。

この場合は、途中に周波数シフタＦＳ例えばＳＡＷ（Ｓ
urface Ａcoustic Ｗave ）デバイスを入れることに
より光源ＬＤからの出力光の周波数ｆ_０に対し、周波数
を発振器ＯＳＣの発振周波数であるΔｆだけシフトした
光波を得ることができる。これらの周波数ｆ_０およびｆ
_０＋Δｆの光波をそれぞれグレーティングカプラＧＣ1
およびＧＣ2 を介して格子線列が１列の基準格子ＧＳに
入射し、基準格子ＧＳによる回折光を光検出器ＰＤで受
光する。

光検出器ＰＤで直接得られる信号は、 となり、位相検知回路ＰＳＤで発振器ＯＳＣの出力信号
との位相差を検知することにより前記実施例と同様に基
準格子ＧＳの移動量と移動方向を検出することができ
る。

この装置の特徴は方向判別するための特別な格子（例え
ば第33図参照）が用いる必要がなく、さらに短時間で時
間平均ができるため、高精度に移動量を検知することが
できることである。

なお、第32図および第35図の測長器用ＩＣにおいては、
基板ＳＢとしてＧa Ａs 基板を用いているが、これはＳ
ｉ基板上でもよい。その場合には光源ＬＤを外付けする
ことになる。

このように、格子干渉式測長器において基準格子以外の
光学系と、信号処理電気系を１枚の基板上に集積化する
ことにより、組立調整が不要で外乱に強く、小型軽量で
高精度な測長が可能となる。

一般的な格子干渉測長装置では、ミラーやコーナーキュ
ーブ等を配置して系を構成している。特に格子に入射す
る光学系にミラー等が用いられており、組立て調整の難
しさやコンパクト化に難がある。

第36図は、ウォーラストンプリズムのような複屈折プリ
ズム用いて相対的に移動する格子に対して光を入射する
ことにより、格子へ入射するまでの光学系を簡略化した
例を示す。

同図において、半導体レーザ等の光線ＬＤから出た光を
コリメータレンズＣＬにより平面波にし、ウォーラスト
ンプリズムＷＰに垂直入射する。ウォーラストンプリズ
ムは２つの複屈折材料例えば方解石をプリズム状にして
貼り合せてなり、２つの互いに直角な偏光成分に分けら
れて、両方の成分の光とも取り出せるようになってい
る。第37図にこの様子を示す。ウォーラストンプリズム
ＷＰに入る光は例えばＰ，Ｓ両偏光ＬOP，ＬOSに対し例
えば45゜の偏光方向をもつ直線偏光であってもよいし、
あるいはコリメータレンズＣＬとウォーラストンプリズ
ムＷＰの間にλ/4板を入れ円偏光にしてもよい。

第37図において、ウォーラストンプリズムＷＰを出た光
はＰ偏光とＳ偏光がそれぞれ格子ＧＳに対し同じ入射角
であり、かつ格子ＧＳの相対移動方向（矢印Ａの方向）
の成分が逆方向になっている状態となる。この光をλ/4
板ＱＷに通すと、Ｐ偏光、Ｓ偏光は違いに回転方向が逆
の円偏光となる。これらの円偏光は空間的に干渉し合
う。この干渉した光を、ビームスプリッタＢＳによって
分け、前に偏光板ＰＰ1 ，ＰＰ2 を配した２つの光検出
器ＰＤ1 ，ＰＤ2 に導けば第５図に示すような信号出力
が得られ、第３図の装置について上述したような電気的
処理を行なうことにより格子干渉測長器の信号が求めら
れる。偏光板ＰＰ1 とＰＰ2 は互いに45゜偏光軸をずら
してある。

なお、第36図の装置において、複屈折プリズムとしては
ロッションプリズムやグラントンプソンプリズムなど他
のものを使用することも可能である。ただし、これらの
プリズムの時は入射光とプリズムのアライメントの関係
がウォーラストンプリズムのように端面垂直入射ではな
くなる。

第38図は、コーナーキューブを用いて光路を折り返し、
回折光を２往復させることによって測長基準格子ＧＳに
よる光分割数を８に増やして系の分解能をあげた格子干
渉測長器の例を示す。

例えば、第４図に示す構成の測長器ではセンサＰＤ1 ，
ＰＤ2 における光量が、第５図（ａ），（ｂ）の信号
Ｒ、Ｓで示すように、基準格子ＧＳのピッチの 1/4の周
期で変化する。上記格子干渉測長器においては、このセ
ンサＰＤ1,ＰＤ2 の光量検出信号Ｒ、Ｓの周期をさらに
電気的に分割して格子ＧＳの１ピッチ当たりのパルス信
号をより多くすることにより分解能の向上を図ってい
る。しかし、電気的処理により分割する場合、信号の振
幅や直流レベルの変動によりパルス間隔が変動し、精度
が劣化する場合がある。

これに対し、ここでは、測長基準格子ＧＳでの回折回数
を増やし基準格子ＧＳが１ピッチ移動する間にセンサの
光量変化の回数が８回といったようなより多数回になる
ように光学系を構成することにより、基準格子のピッチ
の 1/8というような細かい周期でセンサにおける光量を
変化せしめ、光学的配置でもって格子に対する分割数を
上げている。

第38図において、格子干渉測長光学系の半導体レーザ等
の光源ＬＤから出射された光は、コリメータレンズＣＬ
で平面波光束Ｌ0 とされ、該光学系と相対的に移動可能
な関係にある測長基準格子ＧＳ上の点Ｐ1 に入射され
る。この入射光は、基準格子ＧＳで回折を受ける。それ
ぞれ±Ｎ次の回折光Ｌ11，Ｌ12はコーナーキューブＣＣ
1 ，ＣＣ2 に入射され、ここでもとの光路と平行逆向き
に反射されて、再び測長基準格子ＧＳ上の点Ｐ2 ，Ｐ3
点に至り、格子ＧＳで再度回折される。再度回折された
光Ｌ21，Ｌ22は位相差板ＦＰ1 ，ＦＰ2 を通ることによ
り偏光状態が変わり、その後コーナーキューブＣＣ3 ，
ＣＣ4 で反射されて格子ＧＳ上の点Ｐ4 ，Ｐ5 に戻る。
格子ＧＳで再再度回折された光Ｌ31，Ｌ32はコーナーキ
ューブＣＣ1 ，ＣＣ2 でもう一度反射されてさらに格子
ＧＳ上の同一点Ｐ6 に戻り、ここで４度目の回折を受け
る。４度の回折を受けた光Ｌ41とＬ42とは互いに干渉し
合う。この干渉光は、ミラーＭＲを経てビームスプリッ
タＨＭで２つの光束に分けられ、偏光板ＰＰ1 ，ＰＰ2
を通ってセンサＰＤ1 ，ＰＤ2 に至る。

位相差板ＦＰ1 ，ＦＰ2 は、例えばλ/4板を用い、それ
ぞれレーザ光Ｌ21，Ｌ22の直線偏光に対してファースト
軸が＋45゜，−45゜になるようにセットしてある。また
偏光板ＰＰ1 ，ＰＰ2 はそれぞれ０゜，45゜になるよう
に偏光板の角度を設定しておけば良い。すると、２つの
センサＰＤ1 ，ＰＤ2 では位相の90゜ずれて強度変動す
る信号が得られる。また、例えば測長基準格子のピッチ
が2.4 μｍ、回折次数がすべて±１であれば、センサＰ
Ｄ1 ，ＰＤ2 では格子のピッチの1/8 である0.3 μｍ周
期の信号が得られる。これをさらに例えば第４および６
図の測長器について上述した電気的分割法で分割すれ
ば、上述の倍の１ピッチ当たり32個、周期0.075 μｍの
パルスを得ることができる。

第４および６図の構成の測長器では2.4 μｍの格子ピッ
チに対しセンサでの信号強度は 0.6μｍの周期である。
従って第４および６図の測長器に比べて本実施例では光
学配置でもって２倍の分解能が得られることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る測長装置の概観図、 第２図は、第１図における光プローブ等配置空間の部分
拡大図、 第３図は、１軸ステージにセットした本発明の実施例に
係る測長器の概略構成図、 第４図は、第３図における測長ヘッドの構成説明図、 第５図は、第４図における光検出器の出力波形図、 第６図は、第４図における格子干渉式測長系の作用説明
図、 第７図は、第６図の構成における検出光の偏光方位回転
説明図、 第８図は、第６図の構成における位相０゜および180 ゜
の信号波形図、 第９図は、第６図の構成において位相０゜と180 ゜の信
号を取り出すための構成例を示す図、 第10図は、第４図におけるＡＦ測長系の作用説明図、 第11図は、第10図における平面ミラー位置に対するポジ
ションセンサ面上のスポット状態および光量分布を示す
図、 第12図は、上記ポジションセンサの出力から作成される
差動信号ΔＩ（＝Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）と上記平面ミラーの位置
（デフォーカス量）との関係を示す特性図、 第13図は、第３図の測長器の動作を示すフローチャー
ト、 第14図は、第３図の測長器における格子干渉測長系の出
力信号特性図、 第15図は、第３図の測長器におけるＡＦ測長系の出力信
号特性図、 第16図は、測長器ユニットとしてまとめた実施例を示す
構成図、 第17図は、第16図の測長器ユニットの動作を示すフロー
チャート、 第18図は、第16図の測長器ユニットにおける格子干渉測
長パルス信号とＡＦ測長出力電圧との関連を示す特性
図、 第19図は、第16図の測長ユニットを２軸に用いる場合の
概略構成図、 第20図は、干渉測長系としてレーザ干渉測長系を用いた
実施例を示す概略構成図、 第21図は、第20図における微動ステージ上の測長光学系
の詳細を示す図、 第22図は、ブレーズド格子を用いてＡＦ測長する実施例
の構成図、 第23図は、上記ブレーズド格子が形成された基準部材の
斜視図、 第24図は、第22図におけるブレーズド格子とＡＦ測長系
との位置関係を示す説明図、 第25図は、第22図における格子干渉測長系の出力パルス
列信号とＡＦ測長系の出力との関係を示す特性図、 第26図は、第20図の実施例の変形例における基準部材位
置とＡＦ測長信号切換状態の関係を示す説明図、 第27図は、第20図の実施例の別の変形例におけるブレー
ズド格子とＡＦ測長系との位置関係を示す説明図、 第28図は、コーナーキューブを用いることなく構成した
本発明の実施例に係る回折格子干渉測長器の構成図、 第29図は、第28図における各光検出器の出力波形図、 第30図は、第28図の測長器において光源の出力波長が変
動した場合の回折光束の状態を示す説明図、 第31図は、第28図における光源波長変動時の各光検出器
の出力波形図、 第32図は、主要部分をＩＣ化した本発明の実施例に係る
格子回折測長器の構成図、 第33図は、第32図の測長器の変形例を示す要部拡大図、 第34図は、第33図の測長器における各光検出器の出力波
形図、 第35図は、第32図の測長器のさらに他の変形例を示す要
部拡大図、 第36図は、ウォーラストンプリズムを用いた本発明の実
施例に係る格子干渉測長器の構成図、 第37図は、第36図におけるウォーラストンプリズムの作
用説明図、そして 第38図は、回折光を測長基準格子に２往復させることに
よって系の分解能を上げた本発明の実施例に係る格子干
渉測長器の構成図である。 ＤＳ：ステージ基台 ＸＳ：Ｘステージ ＹＳ：Ｙステージ ＬＩ：レーザ干渉測長器 ＣＰ：コーナーキューブプリズム ＤＶ：光プローブ等の配置空間 ＤＦＳ：小ストロークステージ用基台 ＸＦＳ：小ストロークＸステージ ＹＦＳ小ストロークＹステージ ＬＰ：光プローブ ＳＸ：ｘ方向基準尺 ＨＸ：ｘ方向測長ヘッド ＭＸ：ｘ座標検出用測長器 ＳＹ：ｙ方向基準尺 ＨＹ：ｙ方向測長ヘッド ＭＹ：ｙ座標検出用測長器 ＳＲ：移動ステージ ＧＳ：回折格子（基準尺、移動格子） ＭＨ：測長ヘッド ＳＰ：定盤 ＰＭ：平面ミラー ＡＦＳ：微動ステージ（ＡＦステージ） ＦＤ：微小駆動機構 ＬＤ：光源 ＣＬ：コリメータレンズ ＨＭ：ビームスプリッタ （またはハーフミラー） ＣＣ：コーナーキューブプリズム （またはプリズムミラー） ＢＳ：偏光ビームスプリッタ ＰＤ：光検出器（ディテクタ、光センサ） ＬＮ：対物レンズ ＰＳ：光位置検出器（センサ） ＳＴ：ステージ可動部 ＱＷ：λ/4板 ＧＬ：集光レンズ ＳＳ：ステージ固定部 ＡＴ：アクチュエータ ＭＯ：被検物体 ＯＳ：測長基準面 ＥＤ：信号処理電気系 ＰＣ：パルス列測長器電気系 ＦＦ：合焦検知系 ＣＰＵ：中央制御演算系 ＬＺ：レーザヘッド ＩＵ：干渉ユニット ＳＭ：基準部材 ＢＧ：ブレーズド格子 ＦＴ：反射面となる平面 ＦＰ：位相差板 ＧＦ：固定格子 ＰＰ：偏光板 ＳＢ：Ｇa Ａs 基板 ＷＧ：誘電体導波路層 ＬＳ：レンズおよびヒームスプリッタ部 ＧＣ：グレーティングカプラ ＦＳ：周波数シフタ ＯＳＣ：発振器 ＰＳＤ：位相検知回路 ＭＲ：ミラー ＷＰ：ウォーラストンプリズム ＡＰ：アパーチャ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１、第２物体間の相対位置の変化量を測
   定する為の測長装置であって、所定ピッチの相対変位毎
   にパルス信号を出力する第１測長手段と、光源と光位置
   検出器とを有し該光源からの光束の入射位置を該光位置
   検出器で検出することによって少なくとも上記所定ピッ
   チの１ピッチ分の範囲で光反射位置との相対変位量に応
   じた電気レベル信号を発生する第２測長手段と、上記第
   １物体に設けられ且つ該第１物体に対して相対移動可能
   な移動部と、上記パルス信号及び上記電気レベル信号に
   基づいて上記相対位置の変化量を上記所定ピッチの１ピ
   ッチ分より小さな分解能で測定する演算手段とを具備
   し、前記第１、第２測長手段の一方が前記移動部と第１
   物体との相対変位を検出し且つ他方が前記移動部と第２
   物体との相対変位を検出するように配置され、前記演算
   手段は前記移動部の移動に基づく前記パルス信号及び電
   気レベル信号の変化に基づいて上記相対位置の変化量の
   測定を実行することを特徴とする測長装置。
2. 【請求項２】前記第１測長手段が、前記第２物体の一方
   に光源及び光検知器を備えた干渉測長ヘッドを、他方に
   回折格子を配設してなり、該回折格子を基準尺とし該回
   折格子により形成される異なる次数の回折光を干渉させ
   て得られる光の強度変化に応じてパルス信号を出力する
   格子干渉測長器である特許請求の範囲第１項記載の測長
   装置。
3. 【請求項３】前記第１測長手段が、レーザ干渉測長器で
   ある特許請求の範囲第１項記載の測長装置。
4. 【請求項４】前記第２測長手段が前記第１物体及び前記
   移動部の一方から投射した光の他方での反射光を前記一
   方に設けた光位置検出器により検出して該第１物体に対
   する移動部の相対変位量に応じた電気レベル信号を出力
   する構成を有し、前記演算手段が前記第１物体と第２物
   体との相対移動時に前記第１測長手段から出力されるパ
   ルス信号を累算して前記所定ピッチ単位の相対変位量を
   算出し、被計測位置近傍で少なくとも該第１測長手段か
   ら１つのパルス信号が出力される距離だけ該移動部を駆
   動して該パルス信号発生位置と被計測位置の間の測長結
   果に相当する該第２測長手段の出力を検知し、該第２測
   長手段の出力に基づいて該パルス信号発生位置と被計測
   位置との間の距離を算出するものである特許請求の範囲
   第２または３項記載の測長装置。
5. 【請求項５】前記第２測長手段が前記第２物体と前記移
   動部との一方から投射した光の他方での反射光を前記一
   方に設けた光位置検出器により検出して該第２物体に対
   する該移動部の相対変位量に応じた電気レベル信号を出
   力する構成を有し、前記演算手段が前記第１、第２物体
   間で相対移動があってから前記移動部を前記第１物体に
   対して変位させて前記第１測長手段から出力されるパル
   ス信号を累算して前記所定ピッチ単位の相対変位量を算
   出し、少なくとも前記第１測長手段からパルス信号が出
   力された際に前記第２測長手段が測長可能になる距離だ
   け該移動部を駆動して該パルス信号発生位置における前
   記移動部と第２物体との間の測長結果に相当する該第２
   測長手段の出力を検知し、これら第１測長手段と第２測
   長手段の出力に基づいて最終的に前記２物体の間の相対
   変位を算出するものである特許請求の範囲第２または３
   項記載の測長装置。
6. 【請求項６】前記第２測長手段が、前記移動部に固定さ
   れて前記第１物体または前記第２物体の前記相対移動方
   向に交差する面に合焦可能な対物レンズを備え、該対物
   レンズより前記第１物体または前記第２物体へ光を投射
   すると共に反射光を前記対物レンズを介して受光して入
   射位置に応じた電気信号を出力する光学的検知手段であ
   る特許請求の範囲第４または５項記載の測長装置。
7. 【請求項７】前記第２測長手段が、前記第２物体の一方
   に前記相対移動方向に沿って配列された該相対移動方向
   に対して傾斜する面と、他方の物体に固定されて該相対
   移動方向の側面から該傾斜面までの距離を該傾斜面に光
   束を投射して得られる反射光の入射位置より計測する手
   段を備える特許請求の範囲第２または３項記載の測長装
   置。