JPH0979811A - 高精度ステージ - Google Patents
高精度ステージInfo
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- JPH0979811A JPH0979811A JP23798495A JP23798495A JPH0979811A JP H0979811 A JPH0979811 A JP H0979811A JP 23798495 A JP23798495 A JP 23798495A JP 23798495 A JP23798495 A JP 23798495A JP H0979811 A JPH0979811 A JP H0979811A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高精度な移動ステージを実現する。
【解決手段】 第１、第２の非線形光学結晶３、１２で
発生される２次高調波１ｂ、１ｃを干渉させる光周波数
逓倍型干渉計において、大気中での大光路長の変化も干
渉縞の１フリンジにしか対応しないというバーニアの原
理を利用して、干渉計の光路長を移動台１５に載置した
コーナーリフレクタ５を用いて線形に大幅に変えて干渉
縞の位相を高分解で変化させ、この位相敏感検出信号を
反射鏡８、９及びダイクロイック鏡７で構成された２光
路型干渉計の反射鏡８を支持する電歪素子１０ａに加
え、反射鏡８の位置を高精度に制御する。
発生される２次高調波１ｂ、１ｃを干渉させる光周波数
逓倍型干渉計において、大気中での大光路長の変化も干
渉縞の１フリンジにしか対応しないというバーニアの原
理を利用して、干渉計の光路長を移動台１５に載置した
コーナーリフレクタ５を用いて線形に大幅に変えて干渉
縞の位相を高分解で変化させ、この位相敏感検出信号を
反射鏡８、９及びダイクロイック鏡７で構成された２光
路型干渉計の反射鏡８を支持する電歪素子１０ａに加
え、反射鏡８の位置を高精度に制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、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機や変位計測セ
ンサを校正するためのステージに関するものである。
業などの精密生産分野における精密測長機や変位計測セ
ンサを校正するためのステージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、長さを精密に測定するために、多
くの種類の光波干渉測長計、回折格子によるリニアスケ
ール、及び変位センサーが開発されており、その測定の
分解能が１ナノメートル内外に達しているが、これらは
その精度の評価が重要になり、電歪素子と変位センサを
利用して校正する方法が提案されてきている。また、２
台のレーザの光ビート信号を周波数カウンターで計数す
る方法や短波長光源を利用した干渉法が提案されてきて
いる。
くの種類の光波干渉測長計、回折格子によるリニアスケ
ール、及び変位センサーが開発されており、その測定の
分解能が１ナノメートル内外に達しているが、これらは
その精度の評価が重要になり、電歪素子と変位センサを
利用して校正する方法が提案されてきている。また、２
台のレーザの光ビート信号を周波数カウンターで計数す
る方法や短波長光源を利用した干渉法が提案されてきて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、こ
れらの方法は直線性が悪かったり、大気の揺らぎや機械
的振動のために不安定であるばかりでなく、装置が大型
であるために、ナノメートルからピコメートル領域にお
ける精密ステージにおける非直線性を解決することは事
実上困難であった。
れらの方法は直線性が悪かったり、大気の揺らぎや機械
的振動のために不安定であるばかりでなく、装置が大型
であるために、ナノメートルからピコメートル領域にお
ける精密ステージにおける非直線性を解決することは事
実上困難であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑みて提
案されたもので、非線形光学結晶で発生される第１の高
調波と基本波との２つ波長のレーザ光を再度非線形結晶
に入射させることにより、上記基本波から再度第１の高
調波と同じ波長を有する第２の高調波を得て、第１及び
第２の高調波を干渉させる光周波数逓倍型干渉計におい
て、光路の途中に設けた移動台によって光路長を変化さ
せることにより干渉縞の位相を線形に既知の量だけ変化
させ、この出力を位相敏感法で光電検出した信号に基づ
いて、第１の高調波と基本波とで光路を形成する２光路
型干渉計の反射鏡の位置を該反射鏡を支持する電歪素子
を駆動することにより上記干渉縞の極大値または極小値
に制御することによって、反射鏡の位置を制御する高精
度ステージを提供するものである。
案されたもので、非線形光学結晶で発生される第１の高
調波と基本波との２つ波長のレーザ光を再度非線形結晶
に入射させることにより、上記基本波から再度第１の高
調波と同じ波長を有する第２の高調波を得て、第１及び
第２の高調波を干渉させる光周波数逓倍型干渉計におい
て、光路の途中に設けた移動台によって光路長を変化さ
せることにより干渉縞の位相を線形に既知の量だけ変化
させ、この出力を位相敏感法で光電検出した信号に基づ
いて、第１の高調波と基本波とで光路を形成する２光路
型干渉計の反射鏡の位置を該反射鏡を支持する電歪素子
を駆動することにより上記干渉縞の極大値または極小値
に制御することによって、反射鏡の位置を制御する高精
度ステージを提供するものである。
【０００５】また、本発明は、上記第１及び第２の高調
波は、それぞれ２次高調波である高精度ステージを提供
するものである。
波は、それぞれ２次高調波である高精度ステージを提供
するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明は、環境に影響されない干
渉計であると同時に、電歪素子の非直線性に影響されな
い方法を採用している。すなわち、非線形結晶を利用し
た干渉法によって共通光路型の干渉計を実現し大気揺ら
ぎや機械的振動の影響を小さくし、バーニアの原理で大
きな光路変化で干渉縞を走査し、その干渉縞の位相を電
歪素子にフィードバックすることによって高精度ステー
ジを実現している。
渉計であると同時に、電歪素子の非直線性に影響されな
い方法を採用している。すなわち、非線形結晶を利用し
た干渉法によって共通光路型の干渉計を実現し大気揺ら
ぎや機械的振動の影響を小さくし、バーニアの原理で大
きな光路変化で干渉縞を走査し、その干渉縞の位相を電
歪素子にフィードバックすることによって高精度ステー
ジを実現している。
【０００７】本発明の概略の原理を説明する。図１に本
発明の高精度ステージにおける測定原理を示す。２波長
干渉の原理を利用して２波長に対する光路長Ｌの差から
生じる干渉縞は、波長λ1とλ2における空気の屈折率を
ｎ1とｎ2とすると、（ａ）は大気中の２波長干渉計にお
けるは干渉縞の間隔を示し、下記の数式１で示される目
盛り間隔となる。
発明の高精度ステージにおける測定原理を示す。２波長
干渉の原理を利用して２波長に対する光路長Ｌの差から
生じる干渉縞は、波長λ1とλ2における空気の屈折率を
ｎ1とｎ2とすると、（ａ）は大気中の２波長干渉計にお
けるは干渉縞の間隔を示し、下記の数式１で示される目
盛り間隔となる。
【０００８】
【数１】数式１ Ｄf1＝λ2/２(ｎ2-ｎ1)
【０００９】（ｂ）は通常の１波長干渉計における縞間
隔であり、下記の数式２で示される目盛り間隔となる。
隔であり、下記の数式２で示される目盛り間隔となる。
【００１０】
【数２】数式２ Ｄf2＝λ2/２ｎ2
【００１１】すなわち、２波長干渉計と通常の１波長干
渉計の構成を兼ね備えることによって、バーニアの原理
と同じく、（ａ）から（ｂ）まで分解能が向上されたこ
とになる。
渉計の構成を兼ね備えることによって、バーニアの原理
と同じく、（ａ）から（ｂ）まで分解能が向上されたこ
とになる。
【００１２】図２に本発明の一実施例における高精度ス
テージを実現するためのブロック図を示す。図において
レーザ１は、例えば半導体レーザ励起のＹＡＧレーザで
あり、波長約１０６４ｎｍのコヒーレントな基本波１ａ
を連続的に放射する。
テージを実現するためのブロック図を示す。図において
レーザ１は、例えば半導体レーザ励起のＹＡＧレーザで
あり、波長約１０６４ｎｍのコヒーレントな基本波１ａ
を連続的に放射する。
【００１３】
【化１】ＫＴｉＯＰＯ4
【００１４】基本波１ａは、レンズ２を経て例えば上記
の化学式で表される第１の非線形結晶３に入射し、一部
が基本波１ａと一定の位相関係を有する波長約５３２ｎ
ｍの２次高調波１ｂとなり、基本波１ａ及び２次高調波
１ｂは夫々コリメーションレンズ４によって平行な光束
に変換される。このコリメートされた基本波１ａと２次
高調波１ｂとが干渉計の光路長を変えるための移動台１
５（図示せず）に掲載されたコーナーリフレクター５に
入射する。そしてコーナーリフレクター５からの反射光
は基本波１ａの波長の光を透過すると共に２次高調波１
ｂの波長の光を反射するダイクロイック鏡７に向かう。
の化学式で表される第１の非線形結晶３に入射し、一部
が基本波１ａと一定の位相関係を有する波長約５３２ｎ
ｍの２次高調波１ｂとなり、基本波１ａ及び２次高調波
１ｂは夫々コリメーションレンズ４によって平行な光束
に変換される。このコリメートされた基本波１ａと２次
高調波１ｂとが干渉計の光路長を変えるための移動台１
５（図示せず）に掲載されたコーナーリフレクター５に
入射する。そしてコーナーリフレクター５からの反射光
は基本波１ａの波長の光を透過すると共に２次高調波１
ｂの波長の光を反射するダイクロイック鏡７に向かう。
【００１５】ここで、ダイクロイック鏡７、後述する電
歪素子１０ａに取り付けられた反射鏡８及び電歪素子１
０ｂに取付けられた反射鏡９により一種のマッハ・ツェ
ンダー型干渉計が構成されている。そして２次高調波１
ｂは、ダイクロイック鏡７で反射された後、反射鏡９で
も反射され、再びダイクロイック鏡７で反射される。一
方、ダイクロイック鏡７を透過した基本波１ａは反射鏡
８に向かい、該反射鏡８で反射された後、再びダイクロ
イック反射鏡７を透過する。
歪素子１０ａに取り付けられた反射鏡８及び電歪素子１
０ｂに取付けられた反射鏡９により一種のマッハ・ツェ
ンダー型干渉計が構成されている。そして２次高調波１
ｂは、ダイクロイック鏡７で反射された後、反射鏡９で
も反射され、再びダイクロイック鏡７で反射される。一
方、ダイクロイック鏡７を透過した基本波１ａは反射鏡
８に向かい、該反射鏡８で反射された後、再びダイクロ
イック反射鏡７を透過する。
【００１６】これらの基本波１ａ及び２次高調波１ｂは
光軸を揃えて重なり合い、レンズ１１よって集光されて
第１の非線形結晶３と同じ組成からなる第２の非線形結
晶１２に入射する。この際、２次高調波１ｂは第２の非
線形結晶１２を単に通り抜けるだけであるが、基本波１
ａの一部は基本波１ａと一定の位相関係を有する波長約
５３２ｎｍの２次高調波１ｃに変換される。
光軸を揃えて重なり合い、レンズ１１よって集光されて
第１の非線形結晶３と同じ組成からなる第２の非線形結
晶１２に入射する。この際、２次高調波１ｂは第２の非
線形結晶１２を単に通り抜けるだけであるが、基本波１
ａの一部は基本波１ａと一定の位相関係を有する波長約
５３２ｎｍの２次高調波１ｃに変換される。
【００１７】ここで２次高調波１ｂ及び１ｃは互いに干
渉し、レンズ１３を経てフォトダイオード１４の光電変
換面に入射し、光電変換されて電気信号に変換される。
尚、フォトダイオード１４の前面には赤外線カットフィ
ルター１９が配設されており、基本波１ａは上記赤外線
カットフィルター１９に吸収されてフォトダイオード１
４の光電変換面には達しない構成となっている。すなわ
ち、フォトダイオード１４には２次高調波１ｂ及び１ｃ
のみ入射して、光電変換されることになる。
渉し、レンズ１３を経てフォトダイオード１４の光電変
換面に入射し、光電変換されて電気信号に変換される。
尚、フォトダイオード１４の前面には赤外線カットフィ
ルター１９が配設されており、基本波１ａは上記赤外線
カットフィルター１９に吸収されてフォトダイオード１
４の光電変換面には達しない構成となっている。すなわ
ち、フォトダイオード１４には２次高調波１ｂ及び１ｃ
のみ入射して、光電変換されることになる。
【００１８】フォトダイオード１４の出力信号は、発振
器１７からの信号と共に位相敏感検波器１６に入力され
る。該位相敏感検波器１６はこの２つの入力信号の位相
差に基づいた信号を出力し、該出力信号は高電圧増幅器
１８によって電圧増幅され、その出力信号は電歪素子１
０ａの電極に印加され、発振器１７の出力信号は同時に
電歪素子１０ｂに印加される。
器１７からの信号と共に位相敏感検波器１６に入力され
る。該位相敏感検波器１６はこの２つの入力信号の位相
差に基づいた信号を出力し、該出力信号は高電圧増幅器
１８によって電圧増幅され、その出力信号は電歪素子１
０ａの電極に印加され、発振器１７の出力信号は同時に
電歪素子１０ｂに印加される。
【００１９】すなわち、電歪素子１０ａの電極には、高
電圧増幅器１８によって増幅された位相敏感検波器１６
からの信号が印加されて反射鏡８が駆動され、また、電
歪素子１０ｂは発振器１７からの信号により振動して反
射鏡９が駆動され、これにより、基本波１ａと２次高調
波１ｂからなる２光路干渉計に発振器１７の出力信号に
基づく変動する光路長差が生じて、２次高調波１ｂ及び
１ｃはこの光路長差でもって干渉縞の位相が変調された
状態でフォトダイオード１４に入射し、位相敏感検波器
１６で位相検波することにより、移動台１５の移動に伴
って生じる干渉縞の位相差を検出し、反射鏡８の位置は
一定の位置に収束するように制御され、この位置は干渉
縞の極大値または極小値に相当する。従って、移動台１
５の大きな移動にともなって反射鏡８の位置が正確に変
化されるので、その移動台が精度を決定する。
電圧増幅器１８によって増幅された位相敏感検波器１６
からの信号が印加されて反射鏡８が駆動され、また、電
歪素子１０ｂは発振器１７からの信号により振動して反
射鏡９が駆動され、これにより、基本波１ａと２次高調
波１ｂからなる２光路干渉計に発振器１７の出力信号に
基づく変動する光路長差が生じて、２次高調波１ｂ及び
１ｃはこの光路長差でもって干渉縞の位相が変調された
状態でフォトダイオード１４に入射し、位相敏感検波器
１６で位相検波することにより、移動台１５の移動に伴
って生じる干渉縞の位相差を検出し、反射鏡８の位置は
一定の位置に収束するように制御され、この位置は干渉
縞の極大値または極小値に相当する。従って、移動台１
５の大きな移動にともなって反射鏡８の位置が正確に変
化されるので、その移動台が精度を決定する。
【００２０】具体的には、移動台１５を移動させて、干
渉計の光路長Ｌを約６３ｍｍと変化させても、通常の干
渉計における干渉縞としては数式２で表される干渉縞の
１フリンジだけが発生され、高分解能な縞走査が可能と
なる。この干渉縞を上記したように位相敏感法で光電検
出し、その信号を光路がλ1とλ2となった通常のマッハ
・ツェンダー型干渉計の反射鏡８を支持している電歪素
子１０ａに印加すると、その反射鏡８の位置は干渉縞の
極大値または極小値に制御される。
渉計の光路長Ｌを約６３ｍｍと変化させても、通常の干
渉計における干渉縞としては数式２で表される干渉縞の
１フリンジだけが発生され、高分解能な縞走査が可能と
なる。この干渉縞を上記したように位相敏感法で光電検
出し、その信号を光路がλ1とλ2となった通常のマッハ
・ツェンダー型干渉計の反射鏡８を支持している電歪素
子１０ａに印加すると、その反射鏡８の位置は干渉縞の
極大値または極小値に制御される。
【００２１】この結果、光路長の大きな変化が通常の干
渉縞の位相の移動量となり、バーニアの原理で約４．２
ｐｐｍの縮小率で干渉計の反射鏡の位置が高精度で制御
される。つまり、６３ｍｍの高精度な光路長の変化は容
易に実現されるので、分解能が４．２ｐｐｍだけ向上さ
れることになり、分解能がピコメートルの領域にあるこ
とが容易に理解される。
渉縞の位相の移動量となり、バーニアの原理で約４．２
ｐｐｍの縮小率で干渉計の反射鏡の位置が高精度で制御
される。つまり、６３ｍｍの高精度な光路長の変化は容
易に実現されるので、分解能が４．２ｐｐｍだけ向上さ
れることになり、分解能がピコメートルの領域にあるこ
とが容易に理解される。
【００２２】また、電歪素子１０ａは制御にのみ利用さ
れているので、電歪素子１０ａ自身や光学系からの反射
光による非線形性が問題とならず、また移動台１５によ
る光路長の変化の直線性も２０ｐｐｍより良くすること
が容易であるので、総合精度は空気の屈折率の一様性と
その値の測定精度によって決定される。
れているので、電歪素子１０ａ自身や光学系からの反射
光による非線形性が問題とならず、また移動台１５によ
る光路長の変化の直線性も２０ｐｐｍより良くすること
が容易であるので、総合精度は空気の屈折率の一様性と
その値の測定精度によって決定される。
【００２３】以上本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明は上記した実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りど
のようにでも実施できる。例えば、実施例においては２
次高調波を用いているが、基本波の波長を適宜設定する
ことで、３次以上の高調波を用いることも可能である。
が、本発明は上記した実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りど
のようにでも実施できる。例えば、実施例においては２
次高調波を用いているが、基本波の波長を適宜設定する
ことで、３次以上の高調波を用いることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】以上本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明の計測技術は既存しない新しい長さの測定技
術であり、半導体デバイスなどの電子関連生産産業分
野、及び機械など各種の精密工業関連の分野において、
部品・製品の高精度な寸法測定技術や他の長さ測定機の
高精度校正技術のための空気の屈折率の補正法として、
直線性がよく、しかも変位量がメートルの定義に基づい
て既知である高精度ステージを提供できるといった効果
を奏する。
が、本発明の計測技術は既存しない新しい長さの測定技
術であり、半導体デバイスなどの電子関連生産産業分
野、及び機械など各種の精密工業関連の分野において、
部品・製品の高精度な寸法測定技術や他の長さ測定機の
高精度校正技術のための空気の屈折率の補正法として、
直線性がよく、しかも変位量がメートルの定義に基づい
て既知である高精度ステージを提供できるといった効果
を奏する。
【図１】本発明の原理を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例を示す光学的ブロック図であ
る。
る。
１ レーザ １ａ 基本波 １ｂ、１ｃ ２次高調波 ２、１１、１３ レンズ ３、１２ 非線形結晶 ４ コリメーターレンズ ５ コーナーリフレクタ ７ ダイクロイック鏡 ８、９ 反射鏡 １０ａ、１０ｂ 電歪素子 １４ フォトダイオード １５ 移動台 １６ 位相敏感検波器 １７ 発振器 １８ 高電圧増幅器 １９ 赤外線カットフィルター
Claims (2)
- 【請求項１】非線形光学結晶で発生される第１の高調波
と基本波との２つ波長のレーザ光を再度非線形結晶に入
射させることにより、上記基本波から再度第１の高調波
と同じ波長を有する第２の高調波を得て、第１及び第２
の高調波を干渉させる光周波数逓倍型干渉計において、
光路の途中に設けた移動台によって光路長を変化させる
ことにより干渉縞の位相を線形に既知の量だけ変化さ
せ、この出力を位相敏感法で光電検出した信号に基づい
て、第１の高調波と基本波とで光路を形成する２光路型
干渉計の反射鏡の位置を該反射鏡を支持する電歪素子を
駆動することにより上記干渉縞の極大値または極小値に
制御することによって、反射鏡の位置を制御することを
特徴とする高精度ステージ。 - 【請求項２】上記第１及び第２の高調波は、それぞれ２
次高調波であることを特徴とする請求項１に記載の高精
度ステージ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23798495A JP2690041B2 (ja) | 1995-09-18 | 1995-09-18 | 高精度ステージ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23798495A JP2690041B2 (ja) | 1995-09-18 | 1995-09-18 | 高精度ステージ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0979811A true JPH0979811A (ja) | 1997-03-28 |
| JP2690041B2 JP2690041B2 (ja) | 1997-12-10 |
Family
ID=17023398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23798495A Expired - Lifetime JP2690041B2 (ja) | 1995-09-18 | 1995-09-18 | 高精度ステージ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2690041B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008051674A (ja) * | 2006-08-25 | 2008-03-06 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 位置決め機構 |
-
1995
- 1995-09-18 JP JP23798495A patent/JP2690041B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008051674A (ja) * | 2006-08-25 | 2008-03-06 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 位置決め機構 |
| JP4613351B2 (ja) * | 2006-08-25 | 2011-01-19 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 位置決め機構 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2690041B2 (ja) | 1997-12-10 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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