JPS63277922A - Length measuring instrument - Google Patents

Length measuring instrument

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JPS63277922A
JPS63277922A JP62112261A JP11226187A JPS63277922A JP S63277922 A JPS63277922 A JP S63277922A JP 62112261 A JP62112261 A JP 62112261A JP 11226187 A JP11226187 A JP 11226187A JP S63277922 A JPS63277922 A JP S63277922A
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length measuring
stage
light
grating
measuring device
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哲志 野瀬
Minoru Yoshii
実 吉井
Yukichi Niwa
丹羽 雄吉
Akira Kuroda
亮 黒田
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Abstract

PURPOSE:To increase a stroke and to obtain high accuracy by performing length measurement with a large stroke by a 1st length measuring means which generates a pulse signal at intervals of specific unit length and performing interpolation between pulse signals with an electric level signal from a 2nd length measuring means. CONSTITUTION:A Y stage YS is mounted on a state base DS and an X stage XS is mounted on the Y stage YS. A laser interference length measuring instrument LI as a large-stroke length measuring instrument measures the movement quantities and positions of the X and Y stages XS and YS. A length measuring instrument which generates the electric level signal corresponding to a displacement quantity within a range of one measurement length pitch by the laser interference length measuring instrument LI in a space DS on the X stage XS. This length measuring instrument and laser interference length measuring instrument LI measure the movement and positions of the X and Y stages XS and YS.

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
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a length measuring device with high precision and a large stroke.

[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。
[Prior Art] Conventionally, laser interferometers and grating interferometers have been used for high-precision length measurement.

しかし、これらの干渉計は、例えば100mm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。
However, while these interferometers are capable of measuring relatively large strokes of, for example, 100 mm or more, they basically measure a predetermined pitch determined by the optical arrangement, such as the wavelength of the measurement light or the order and polarization state of the diffracted light. Since the length is measured as a length, the resolution is low, and the accuracy is low when measuring minute distances of, for example, submicrons or less.

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。
Therefore, for example, in a grating interferometer, it has been proposed to further electrically divide signals determined by the optical arrangement, such as the order of diffracted light and the polarization state, to increase the resolution.

[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
変動などにより誤差が発生しやすい。
[Problems to be Solved by the Invention] However, electrical division tends to cause errors due to fluctuations in the amount of light, fluctuations in diffraction efficiency, etc.

本発明の目的は、ストロークが大きく、かつより高精度
な測長装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a length measuring device with a larger stroke and higher accuracy.

[問題点を解決するための手段] 上記目的を達成するため、本発明では、レーザ干渉計や
格子干渉計等のように一定の長さに対応した間隔でパル
ス信号を出力する第1測長手段のパルス間の微小距離を
、自動合焦(オートフォーカス)手段等の第2測長手段
から微小距離の変位に応じて発生する電圧レベル信号よ
り算出して補間することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention uses a first length measurement device that outputs pulse signals at intervals corresponding to a fixed length, such as a laser interferometer or a grating interferometer. The present invention is characterized in that the minute distance between the pulses of the means is calculated and interpolated from a voltage level signal generated in response to a minute distance displacement from a second length measuring means such as an autofocus means.

[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ツ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。
[Operations and Effects] For example, the scanned surface position detection means (hereinafter referred to as AF length measurement means) used in autofocus (hereinafter referred to as AF) of optical pickup devices used in digital audio discs, video discs, etc. , has high precision and high resolution, but its length measurement stroke is extremely small. Moreover, if the stroke of such an AF length measuring means is attempted to be increased, the accuracy will decrease.

本発明では、大ストロークの測長は干渉測長針等のよう
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ド
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間をさらに分解してさらに精度
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。
In the present invention, the length of a large stroke is measured by a first length measuring means that generates a pulse signal every predetermined unit length, such as an interferometric length measuring needle, and between the pulse signals at constant intervals, an automatic focusing means or the like is used. Interpolation is performed using an electrical level signal corresponding to the minute distance displacement generated from the second length measuring means. Therefore, for length measurement of large strokes, the accuracy of the first length measurement means is further improved by further dividing the unit length, and even for minute distances, the second length measurement means has high accuracy and accuracy. Length measurement can be performed with resolution.

[実施例] 以下、本発明の詳細な説明する。[Example] The present invention will be explained in detail below.

第1図は、本発明の一実施例に係る測長装置の概観を示
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。
FIG. 1 shows an overview of a length measuring device according to an embodiment of the present invention. This processing apparatus processes or measures a workpiece or a measured object using an optical probe.

同図において、DSはステージ基台で、この基台DS上
にYステージ基台が、Yス誉−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、カイトXG、YGに沿って
X。
In the same figure, DS is a stage base, the Y stage base is on this base DS, and the X stage X is on Y stage YS.
It is equipped with S. The base DS has a y direction guide YG%
The Y stage YS is provided with an X direction guide XG,
, Y are each stage xs, ys of X, Y (not shown), respectively.
Driven by Y motor, kite XG, X along YG.

y方向に8勤する。8 shifts in the y direction.

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、CPx、CPyは測長器LIから入射したレーザ光
Lx、Ly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エーブプリズム
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L!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。
LI is a laser interference length measuring device as a large stroke length measuring device that measures the movement amount and position of each stage xs, ys of 180@This is a corner chiave prism for inverting the light and returning it to the length measuring device LI through an optical path parallel to the original. A portion DV indicated by a dotted line on the X stage XS is a space for arranging a small stroke stage, a high-resolution length measuring device, an optical probe, and the like. Length measuring device L! and stage base'
The DS is fixed on a surface plate (not shown).

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X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X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。
Fig. 2 shows a partially enlarged view of the optical probe arrangement space DV in Fig. 1. In the figure, DFS is a base for a small stroke stage, and an X-direction guide YFG for the small stroke stage is provided. , is fixed on the X stage XS. A small stroke X stage YFS is mounted on this base DFS so as to be movable along a guide YFG.
On the stage YFS, a small stroke
P is fixed.

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I(Y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S
xとXステージXFSに取り付けたX方向測長ヘッドH
XとからなるX座標検出用測長@MXとにより、基台D
FS (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
DFS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。
The position of this optical probe LP is determined by the length measuring device MY for y-coordinate detection, which consists of a y-direction standard SY attached to the base DFS and a y-direction length measuring head I (Y) attached to the Y stage YFS.
, and the X-direction standard S attached to the Y stage YFS.
x and X-direction measuring head H attached to X stage XFS
Based on the length measurement @MX for X coordinate detection consisting of
It is detected as relative position coordinates with respect to FS (ie, X stage XS). On the other hand, the coordinates of the small stroke stage base DFS with respect to the surface plate are measured as the positions of the X and Y stages by the laser interferometer LI.

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L!で、小ストロー
クの被加工対象物エリアのステージXFS、YFS17
)移動は測長装置MX、MY”l’計測する。このよう
に、成る特定エリアの移動に対して測長手段を複合構成
にし、小ストローク移動量の測長は大ストロークのステ
ージ移動量の測長器(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)測長な行ない、大ス
トローク移動量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。
That is, in FIG. 2, the large stroke stage
Laser interference length measuring device L is used to move S and YS! Stages XFS and YFS17 in the workpiece area with small strokes
) The movement is measured by the length measuring devices MX and MY"l'. In this way, the length measuring means has a composite configuration for the movement of a specific area, and the length measurement of the small stroke movement is measured by the length measurement of the stage movement of the large stroke. A length measuring device (laser interferometric length measuring device) is installed separately to perform high-precision (high-resolution) length measurement, and by not relying on the error of the length measuring device for large stroke travel, it is possible to We were able to achieve stroke and highly accurate length measurement.

ここで、小ストローク移動量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量の測長器より高精度(高分解能
)であることが必要である。
Here, the length measuring device with a small stroke movement does not need to have a small stroke, but it needs to be more accurate (higher resolution) than the length measuring device with a large stroke movement, at least in the specific area mentioned above. .

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量の測長器(第2図の測長器MX
、MY)としても好適に使用することができるものであ
る。
FIG. 3 shows an example in which a high-precision, high-resolution length measuring device according to another embodiment of the present invention is set on a single-axis stage. This length measuring device is used in a grating interference length measuring device and an autofocus device. By combining it with a focus detection means and interpolating between the pulse signals at constant intervals determined by the optical arrangement of the grating interferometric length measurement device with the focus length measurement output of the focus detection means,
While maintaining the high accuracy of the grating interferometric length measurement device, the resolution is increased,
This is an attempt to achieve even higher precision and resolution. This length measuring instrument itself is a more concrete representation of the overall configuration of the above embodiment, and at the same time is a length measuring instrument for small stroke movement (as shown in Fig. 2), which is a part of the above embodiment. Long MX
, MY) can also be suitably used.

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O3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。
In Fig. 3, SR is a moving stage, GS is a diffraction grating as a reference standard, MH is a measuring head for measuring the amount of movement of the moving stage SR with respect to the diffraction grating GS, RG is a guide, SS is a feed screw, and MT is the motor. Guides RG, RG, and diffraction grating O3 are fixed on a surface plate sp parallel to the moving direction of moving stage SR shown by arrow A, and moving stage SR is rotated by guide RG by the action of a feed screw SS rotated by motor MT. along the arrow A.

第4図は測長ヘッドMHの構成説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the configuration of the length measuring head MH.

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、8助ステージ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である
。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、APという)測長系からな
る測長光学系が設置されている。
In the figure, SP is a surface plate, on which a movable stage SR is movably mounted and a diffraction grating GS is fixed in parallel to the moving direction A of the movable stage SR. Further, a plane mirror PM having a mirror surface perpendicular to the movement direction A is fixed to the 8-stage stage SR, and a fine movement stage (AF stage) AFS is mounted thereon. The fine movement stage AFS is connected to the movement stage SR via a fine drive mechanism PD such as a piezo drive mechanism, and the fine movement stage AFS is connected to the movement stage SR with respect to the movement stage SR (in the direction of arrow A). ) can be moved by a minute amount in the direction of arrow B, which is the same direction. Further, a length measurement optical system consisting of a grating interference length measurement system and an autofocus (hereinafter referred to as AP) length measurement system is installed on the fine movement stage AFS.

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HMI 、HM2 
、位相差板FPI 、FP2 、プリズムミラーまたは
コーナーキューブプリズムCCI 、CC2、偏光ビー
ムスプリッタBS、光検出器PDI 、PO2、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AF測長系とで共用する等光学部品の省略を
図っである。
This length measurement optical system includes a light source LD such as a semiconductor laser, a collimator lens CL, a beam splitter HMI, and HM2.
, phase difference plate FPI, FP2, prism mirror or corner cube prism CCI, CC2, polarizing beam splitter BS, photodetector PDI, PO2, objective lens LN, optical position detector (position sensor) PS, etc., and light source LD and The collimator lens CL is shared by the grating interference length measurement system and the AF length measurement system, and other optical components are omitted.

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
MI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I(M2を経て回折格子
GSに入射する。
In FIG. 4, the light beam emitted from the light source LD and collimated by the collimator lens CL is transmitted to the beam splitter H.
The MI splits the beam into two beams, one of which is passed through the objective lens L.
N and the other enters the diffraction grating GS via the beam splitter I (M2).

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(ωを十mδ))となる。
The light incident on the diffraction grating GS is diffracted by the diffraction grating GS, and the phase δ of the diffraction grating GS is added to the diffraction wavefront. If the initial phase of the incident light is 0, the phase light of the diffraction wave is exp(
i (ω is 10 mδ)).

ここでmは回折次数であり、例えば+1次光と一1次光
はそれぞれexp(i(ωt+δ))とexp(i(ω
t−δ))となる。+1次光である光線Lllと一1次
光である光線L12は、それぞれ位相差板FPI 、F
P2を経由してコーナーキューブプリズムCCI 、C
C2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0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P1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L 11. L 1
2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LRIとLR2および反射光LSI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
PDI 、PO2に入射する。
Here, m is the diffraction order; for example, the +1st order light and the 11th order light are exp(i(ωt+δ)) and exp(i(ωt+δ)) and exp(i(ωt+δ)), respectively.
t-δ)). The light ray Lll, which is the +1st order light, and the light ray L12, which is the 11st order light, are connected to the phase difference plates FPI and F, respectively.
Corner cube prism CCI, C via P2
A reflected ray L11. which is incident on C2 and reflected here in a direction parallel to and opposite to the incident direction. L12 is a phase difference plate FP1. The light is made into clockwise and counterclockwise circularly polarized light by passing through FP2 twice, and is diffracted again at point P2, which is distant from point P1 of diffraction grating GS in the moving direction of moving stage SR (in the direction of arrow A). Furthermore, it enters the polarizing beam splitter BS via the beam splitter HM2. Light ray L having clockwise and counterclockwise circular polarization characteristics incident on this polarizing beam splitter BS 11. L 1
2 transmits and reflects the polarizing beam splitter BS. The transmitted lights LRI and LR2 and the reflected lights LSI and LS2 become linearly polarized lights, interfere with each other, and enter the photodetectors PDI and PO2.

光検出器PDIおよびPO2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Ml((APステージAFS)が移動した
場合の光検出器PDI。
Since the photodetectors PDI and PO2 detect orthogonal components of two circularly polarized lights as interference light intensity, the photodetectors PDI when the length measurement head Ml ((AP stage AFS) moves with respect to the diffraction grating GS).

PO2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(e)、(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(8)の各パルスの発生タイミングにおける信号
(C)。
The outputs R and S of PO2 have a phase difference of 90° as shown in FIGS. 5(a) and 5(b). These two signals R and S are each binarized by a circuit (not shown) as shown in (e) and (d) based on a constant level, and at the timing of the rise and fall of the two signals, as shown in (e), By generating four pulses per period and counting the number of pulses, the amount of relative movement between the length measuring head MH and the diffraction grating GS can be measured. In this case, the period of intensity change of the interference light for one pitch movement of the diffraction grating GS is 4 periods,
The number of pulses is 16. Further, during pulse counting, the direction of the relative movement is detected, and it is determined whether to add or subtract the counted value depending on the detection result. The direction of movement is
Signal (C) at the generation timing of each pulse in FIG. 5(8).

(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。
It can be determined based on the level (d). For example, if the level of the signal (d) at the falling timing of the signal (C) is "H" when moving in the forward direction, it becomes "L" when moving in the reverse direction.

さらに、第5図(a)、(b)に示す信号R9S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−3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
ツ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。
Furthermore, the signals R9S shown in FIGS. 5(a) and 5(b) are added and subtracted to create signals R+S and R-3 having a phase difference of 45 degrees with respect to the signals R and S, and these are also described above. If the signal is similarly binarized and pulses are generated at the rising and falling timings, 32 pulses can be generated for one pitch movement of the diffraction grating GS. However, in this case, in order to reliably process these signals, it is necessary to take into account fluctuations in the amount of light and diffraction efficiency.

第6図は、格子干渉測長器の原理説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the principle of the grating interferometric length measuring device.

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0図に
示すように回折格子GSがX方向に1ピツチ移動すると
+1次回折光Lllは位相が1波長進み、−1次回折光
L12は1波長遅れる。これらの回折光L11. L1
2は、コーナキエーブCPI 、CF2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Ll
lはさらに1波長進み、−!次回折光L12は1波長遅
れる。そのため、最終的にLllとL12を合波させた
干渉光は、回折格子GSが1ピツチ穆勤すると明暗が4
回変化する。従って回折格子の1ピツチが1.6 μm
とすると1.6μmの1/4、−)まり 0.4μmお
きに明暗が変化する。この明暗の変化な光電変換し、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ピツチ当たり16または32個、つま
り 0.l゛μmまたは0.05μmおきにパルスを発
生している。
In the figure, coherent light incident on the diffraction grating GS is diffracted as ±1st-order light. The phase of this diffracted light is the grating G
When the diffraction grating GS moves one pitch in the X direction, the phase of the +1st-order diffracted light Lll advances by one wavelength, and the -1st-order diffracted light L12 delays by one wavelength, as shown in FIG. These diffracted lights L11. L1
2 is returned by Cornakieve CPI, CF2,
When diffracted again by the grating GS, the previous +1st-order diffracted light Ll
l advances one wavelength further, -! The next diffracted light L12 is delayed by one wavelength. Therefore, the interference light that is the final combination of Lll and L12 has a brightness of 4 when the diffraction grating GS is worked one pitch.
change times. Therefore, one pitch of the diffraction grating is 1.6 μm.
Then, the brightness changes every 0.4 μm, which is 1/4 of 1.6 μm. By photoelectrically converting this change in brightness and darkness and counting the brightness, pulses at intervals of 0.4 μm can be obtained. In the above-mentioned interferometric measurement system shown in FIG. 4, in order to further increase the resolution, electrical processing is performed to generate 16 or 32 diffraction gratings per pitch, that is, 0. Pulses are generated every 1 μm or 0.05 μm.

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。
Next, a method for detecting the direction of the grating interferometric length measuring device will be explained.

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。
In order to detect the length measurement direction, it is necessary to extract two signals with a 90° phase difference.

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QWI 、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。
As shown in Figure 6, linearly polarized coherent light is
4 plate QWI, QW2 45 to its first axis
It can be made into circularly polarized light by making it incident on the beam and transmitting it.

+1次の回折光と一1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金波光は直線偏光に
なる。
When the +1st-order diffracted light and the 11th-order diffracted light are combined into counterclockwise and clockwise circularly polarized light, respectively, the gold wave light becomes linearly polarized light.

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。
The polarization direction of the linearly polarized light is determined by the phase difference φ between the ±1st-order lights.

今、+1次光による左回り円偏光を y+ =a exp(t (ωを一φ/2))Xs =
a  exp(i (ωt−π/2−φ/2))−1次
光による左回り円偏光を y + W a  exp (i (ωt、+φ/2)
)x−xa  exp(i (ωt−yr/ 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− 冨a(exp(iφ/2) +exp(−iφ/2)) XWXや+X− =a(axp(iφ/2) −exp(−Lφ/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。
Now, the left-handed circularly polarized light due to the +1st-order light is y+ = a exp (t (ω - φ/2)) Xs =
a exp (i (ωt-π/2-φ/2)) - the left-handed circularly polarized light due to the first-order light is expressed as y + W a exp (i (ωt, +φ/2)
)x−xa exp(i (ωt−yr/ 2+φ/
2)) When these are combined, the plane wave is y
! y◆+y− Tomi a(exp(iφ/2) +exp(−iφ/2)) XWX and +X− =a(axp(iφ/2) −exp(−Lφ/2)), which is shown in As shown in , the polarization direction θ is φ/2
It can be seen that the light is linearly polarized.

ここで、aは光波の振幅、ωは光波の角周波数を表わす
Here, a represents the amplitude of the light wave, and ω represents the angular frequency of the light wave.

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 4 π θ麿□X となる。
Therefore, by moving the grating GS by X in FIG. 6, the phase difference φ of the ±1st-order light becomes as follows, where p is the pitch of the grating GS. Therefore, the polarization direction θ of the combination of the ±1st-order lights becomes 4 π θmaro□X.

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PPI。
As shown in FIG. 6, this combined linearly polarized light is split by a beam splitter HM3 and sent to a polarizing plate PPI.

PP2を通過後ディテクタPDI 、PO2に入る。2
つの偏光板PPI 、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PPIを通過後のディ
テクタPDIがθ=O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 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PDI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
After passing through PP2, it enters detector PDI and PO2. 2
By setting a difference of 45@ between the transmission axes of the two polarizing plates PPI and PP2, for example, when detecting the peak of the light amount when the detector PDI after passing through the first polarizer PPI is θ=O, the second Detector PD2 after passing through polarizer PP2 of
The amount of light reaches its peak at . This becomes a signal with a 90° phase difference compared to the signal of the detector PDI by the first polarizer. This makes it possible to determine the length measurement direction.

する方法を説明する。Explain how to do this.

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0.002μm以下の繰り返し精度が必要とな
る。
The accuracy (resolution) of the length measuring device shown in FIG. 3 is, for example, 0.01 μm to 0.002 μm, as described later. In order to make the most of the high accuracy of this AF length measurement system, it is necessary to generate pulse signals with high repeatability in the interferometric length measurement system. This repeatability requires a repeatability of 0.002 μm or less, which is resolved by AF.

上述のように電気的処理により格子1ピツチ当たりのパ
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0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”!R+VSSが変化して繰り返し精度を悪くする
As mentioned above, in the method of increasing the number of pulses per grating pitch by electrical processing, factors that deteriorate accuracy include fluctuations in light amount and diffraction efficiency.For example, (a) in Fig. 5, Signals R, S as shown in (b)
If there are fluctuations in the DC level or amplitude, the slice position "!R+VSS" will change and the repeat accuracy will deteriorate.

そこで、ここでは0°、180°信号を使うことを提案
する。
Therefore, we propose here to use 0° and 180° signals.

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、o” 、 taoo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。
By detecting the difference between the 0° and 180° signals, DC level fluctuations and amplitude fluctuations can be removed because they are common to the two signals o" and taoo. 8th
The figure shows this situation.

0”、18G”の信号を用いると、パルス信号は172
波長ごとに出る。この場合は0.2μm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。
When using signals of 0", 18G", the pulse signal is 172
Emitted for each wavelength. In this case, a pulse signal will be output every 0.2 μm, but it may be used as is.

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O’、45°の偏光板PPI、P
P2の他に90°の偏光板PP3を別売路中に設ければ
よい。同図において、)1M3゜HM4は八−フミラー
、PDl、PO2、PO2はディテクタ(光検出器)で
ある。
FIG. 9 shows an example of a configuration for implementing this method. That is, the polarizing plates PPI and P whose azimuth angles are O' and 45°
In addition to P2, a 90° polarizing plate PP3 may be provided in the separately sold market. In the figure, )1M3°HM4 is an eight-view mirror, and PDl, PO2, and PO2 are detectors (photodetectors).

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HMIを透
過した光は、AF測長系の対物レンズLNに入力される
Returning to FIG. 4, the light emitted from the light source LD, collimated by the collimator lens CL, and transmitted through the beam splitter HMI is input to the objective lens LN of the AF length measurement system.

第10図は、AF測長系の動作説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of the operation of the AF length measurement system.

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
SR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。
In the figure, light from the light source LD is transmitted through the objective lens LN.
The beam is incident at a position eccentric from the main optical axis. When the target of the objective lens LN (the mirror surface of the plane mirror PM fixed to the movable stage SR in FIG. 4) is at the focusing position (A), the light from the light source LD passes through the optical path of the solid line in FIG. After that, an image of the light spot projected onto the mirror surface is formed at the center (A) on the sensor PS, which is placed at a conjugate (imaging) position of the focal position (A) with respect to the objective lens LN.

また、ターゲットPMが対物レンズLNのデオーカス(
非合焦)位置(ロ)および(ハ)にあるときは、それぞ
れ第1O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。
Also, the target PM is the deocus of the objective lens LN (
When the camera is in the out-of-focus) positions (b) and (c), it travels through the optical paths indicated by the two-dot chain line and dashed line in Figure 1O, respectively, to the position (b) and the position away from the center (a) on the sensor PS. Form a defocused image on (c).

第11図は、上記各平面ミラーPM位置に対応した上2
923面上のスポット状態および光量分布を示す、この
上2923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5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IAと1、の差動信号ΔI(=IA−Ia)
のデフォーカス量(ターゲット位置)に対する関係を示
す。
FIG. 11 shows the upper two planes corresponding to the above-mentioned plane mirror PM positions.
The difference between the sensor signal amount of the A zone and the sensor signal amount of the B zone on the upper 2923 plane, which indicates the spot state and light intensity distribution on the 923 plane, has a so-called 5-shaped curve characteristic. FIG. 12 shows a differential signal ΔI (=IA-Ia) between the sensor signal amount IA and 1 obtained by a differential amplifier (not shown).
shows the relationship with the defocus amount (target position).

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Δlとの関係がリニアな
領域を利用する。
The AF length measurement system shown in FIG. 4 utilizes a region in this S-shaped characteristic curve in which the relationship between the defocus amount and the differential signal Δl is linear.

次に、第13図のフローチャートおよび第14図と第1
5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。
Next, the flowchart in Fig. 13 and Fig. 14 and 1.
The operation of the length measuring device shown in FIGS. 3 and 4 will be explained with reference to the output waveform diagram shown in FIG.

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。
The length measuring device shown in FIG. 3 is constructed so that its entire operation is controlled by a central processing unit (not shown).

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8肋し、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、8勤ステージ駆動指令の入力を待機する。
First, when starting an operation such as when turning on the power, the moving stage S
Initial setting is performed by moving R to the origin 8 times and resetting the counter when the moving stage SR reaches the origin.
Thereafter, it waits for input of an 8th shift stage drive command.

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。
When a stage drive command is input in the standby state,
First, AF operation is performed. In other words, based on the output of the AF length measurement system, the piezo minute drive mechanism (piezoelectric actuator) FD
AF stage AFS is driven to focus objective lens LN on plane mirror PM. When in focus, AF
Stage AFS is locked to moving stage SR at that position, and moving stage SR is driven by motor MT.

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。
In this length measuring instrument, when the moving stage SR moves, the electric circuit (not shown) of the grating interferometric length measuring system is activated as described above.
The period p of the diffraction grating GS fixed with respect to the surface plate SP from
A pulse signal is generated every 1/16 of the time (see Figs. 5 and 14). The counter integrates the number of pulses.

中央処理装置は、8勤ステージ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。
When a stop command is input during the movement of the 8th shift stage SR, the central processing unit stops the moving stage SR and calculates the cumulative number of pulses by the counter.

この後、AFステージAFSのロックを解除し、圧電ア
クチェエータFDを駆動してAF系と格子干渉光学系が
載りている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SRが静止した位置を5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5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。
After that, the AF stage AFS is unlocked, and the piezoelectric actuator FD is driven to move the AF stage AFS on which the AF system and grating interference optical system are mounted, and the pulse signal of the grating interference length measurement system obtained above is The position of the moving stage is detected. In other words, as shown in FIG. 14, the positions where the moving stage SR is stationary are defined as five points,
If the number of pulse counts at that time is N, the position of the five points is set to the count number N and the next N+1 by the autofocus means.
Determine with high precision which position between.

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!え−ta)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。
First, the pulse accumulation number N of the counter when the moving stage SR stops is memorized, and the piezoelectric actuator FD moves the AF stage AFS, that is, the length measuring optical system MH by a minute amount (slightly more than the pulse interval ΔX). Then, defocus is added to the AF measurement system that targets the plane mirror PM fixedly attached to the moving stage SR, and the differential output signal ΔI (AF
Sensor PS difference signal! e-ta) changes. At this time,
If the feed amount of the piezo drive amount is set within the range where the relationship between the defocus amount and the difference signal is linear, the relationship between the difference signal and the defocus amount is known in advance, so when the difference signal is given, The amount of defocus can be uniquely determined. Therefore, if the piezo drive moves a small amount to the position corresponding to the Nth pulse, a difference signal at the position corresponding to the Nth pulse will be obtained, and if this is the defocus amount and δ is the Nth pulse generation position. The amount obtained by adding δ to N·ΔX becomes the length measurement position of the point S where the moving stage SR stopped.

ここにΔXは格子干渉測長系のパルス列の周期である。Here, ΔX is the period of the pulse train of the grating interferometry system.

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傷信号Oとなる位置(合焦
位置)で静止している。
Note that until the moving stage SR comes to rest, the fine movement stage AFS on which the optical system is mounted remains at rest at the position (focusing position) where the AF flaw signal O is generated.

この測長器において、例えば回折格子GSの格子ピッチ
を1.6μmとすれば、格子干渉測長系のパルス信号の
周期は0.1μmとなる。従って、ピエゾ駆動量を〜0
.2μm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。
In this length measuring device, for example, if the grating pitch of the diffraction grating GS is 1.6 μm, the period of the pulse signal of the grating interference length measurement system is 0.1 μm. Therefore, the piezo drive amount is ~0
.. The above method is possible if it is shaken by about 2 μm,
Length measurement can be achieved with AF accuracy by maintaining the high stroke of the grating interferometric length measurement device, and positioning of the stage etc. can be achieved with high precision.

例えば、AF測長の精度は、AP用対物レンズとしてX
100  (NA40.9 )を用い、AFセンサPS
としてCCDやボジシ日ンセンサ等を用いれば0601
μm〜0.002μm程度の精度が実現される。この場
合、AF傷信号リニアな領域は1μm程度である。
For example, the accuracy of AF length measurement is
100 (NA40.9), AF sensor PS
If you use CCD or physical sun sensor etc. as 0601
Accuracy on the order of μm to 0.002 μm is achieved. In this case, the area where the AF scratch signal is linear is about 1 μm.

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。
In addition, in the length measuring device shown in Fig. 3, the AF optical system does not necessarily require that the plane mirror PM position and the AF sensor PS position have an imaging (conjugate) relationship; Sensor differential signal and light spot position signal (
A system in which the amount of defocus in the direction of movement) is linear or has near-linear characteristics is fine. If it is not linear, store the relationship between the amount of movement (defocus) and the signal in read-only memory (ROM). It is preferable to obtain the minute movement amount by reading out the movement amount according to the signal.

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。
In this way, the length measuring device shown in Fig. 3 combines a long-stroke length-measuring means with an optical system whose signal output is close to linear with respect to the amount of movement. ) By filling in the gaps, the accuracy of long-stroke length measuring means is further improved.

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。
This makes it possible to eliminate fluctuations in light intensity and diffraction efficiency that occur when signals determined by the optical arrangement, such as the order of diffracted light and the polarization state, are further electrically divided to increase resolution in the case of conventional grating interferometers. The problem of easy occurrence of errors is solved.

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。
Note that it is also possible to modify the length measuring device shown in FIG. 3 in the following points.

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。
For example, in the above, when detecting the defocus amount δ, the AF stage AFS is minutely driven to the position corresponding to the Nth pulse and the N+1th pulse, and the difference signal at both positions is detected to detect the defocus amount. By calculating δ, it is possible to obtain an accurate defocus amount δ even when the pulse interval or the AF sensor output fluctuates.

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。
Further, the long stroke length measuring means is not limited to the grating interferometric length measuring device, but may be other methods such as a laser interferometric length measuring device.

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。
Further, the optical system mounted on the fine movement stage may include only the objective lens of the AF system and a grating interference length measuring device system.
It is not necessary that all of the F system be placed on the fine movement stage.

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。
Further, although FIG. 3 shows movement in one axis, a composite structure may be similarly used for length measurement in two or more axes.

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
光ピツ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。
In addition, although the AF system in Fig. 4 shows the TTL-AF method,
It may be an AF system used for optical pickup of DAD (digital audio desk) or video desk, or an AF system used for autofocus of a camera.

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。
In addition, as mentioned above, the AF system does not need to be in a so-called imaging relationship; it is sufficient that the sensor signal output is close to linear in the direction of movement, and the AF system is a system in which the light spot moves linearly on the sensor surface. In this case, the points on the plane mirror surface shown in FIG. 4 and the sensor surface do not necessarily have to be conjugate.

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。
FIG. 16 is an example in which the length measuring apparatus according to the embodiment of the present invention is assembled as a length measuring device unit.

この測長ユニットは、ステージ可動部ST上に光源LD
、コリメータレンズCL、偏光ビームスプリッタ)IM
I 、λ/4板QW、集光レンズGLI。
This length measuring unit has a light source LD on the stage movable part ST.
, collimator lens CL, polarizing beam splitter) IM
I, λ/4 plate QW, condenser lens GLI.

GL2、CCD等の光位置検知センサからなるAP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MHでパルス列信
号として検出する。
AP means PS consisting of an optical position detection sensor such as GL2 and CCD is arranged, and the movement of the stage movable part ST is detected by a pulse train using a linear grating GS fixed to the stage movable part ST and a reading head MH arranged on the stage fixed part SS. Detected as a signal.

ステージ可動部STはアクチェエータATにより能動的
に可動する。被検物体MOの測長基準面O8は面精度の
高いミラー面にしである。
The stage movable portion ST is actively moved by an actuator AT. The length measurement reference surface O8 of the object to be measured MO is a mirror surface with high surface accuracy.

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
パルス信号を受は取るごとにその時点のAP出力値を更
新して記憶することである。
The main point of this method is that each time the focus detection circuit FF in the detection processing circuit ED receives a pulse signal from the pulse train length measuring device electrical system PC, it updates and stores the AP output value at that point. be.

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。
FIG. 17 shows the operation flow. Further, FIG. 18 shows an example of pulse intervals and AF voltage values.

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“アクチェエータATが駆動し、被検基準面O5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に取り付けであるスケール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。
When it is confirmed that the object to be inspected MO has stopped, the actuator AT of the length measurement unit is driven and tries to autofocus on the reference plane O5 to be inspected. This movement is caused by the movement attached to the stage movable part ST. The scale GS and reading head MH detect the change in the amount of interference light, and the pulse train length measuring device electrical system PC counts this change in the amount of light as a pulse signal and measures the length.The resolution in this case is the pulse interval ΔX
(Figure 18).

その間にパルス信号を中央演算系CPUが受は取るごと
にそのときの合焦電圧vAFを更新して記憶しておく、
オートフォーカス系が合焦信号つまりVar”OVを示
すとアクチェエータATは停止する。
During that time, each time the central processing system CPU receives a pulse signal, the current focusing voltage vAF is updated and stored.
When the autofocus system indicates a focus signal, that is, Var"OV, the actuator AT stops.

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を用いて測長器11x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0.4μm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。
Therefore, the central processing system CPU uses the count number j that had been counted up to that point and the focus voltage Vj that was last stored by the focus detection system FF to set the length measuring device 11x to x=j・Δx+Vj ・
Calculate ξ. Here, ΔX is a moving distance corresponding to the pulse interval, and is, for example, a pitch of 0.4 μm. It is also assumed that ξ has been calibrated in advance using the AF sensitivity.

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。
FIG. 19 shows an example in which this length measuring unit is used for two axes, and is used for highly accurate positioning of an AA (auto alignment) head of a semiconductor exposure apparatus.

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。
FIG. 20 shows an example in which a laser interferometric length measuring system is used in place of the diffraction grating interferometric measuring system of the length measuring instrument shown in FIG.

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である。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に固定しである。
In FIG. 20, parts common or corresponding to those in FIG. 3 are given the same reference numerals. In FIG. 20, a laser head LZ, an interference unit IU, and a corner cube prism CP constitute a laser interferometric measurement system. The interference unit IU is fixed to the surface plate sP, and the corner cube prism CP is fixed to the fine movement stage AFS.

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
FPI 、FP2 、コーナーキューブプリズムCCI
 、CC2、偏光ビームスプリッタBSおよび光検出器
P、Dl、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CPを微動ステージAFS上に固定された台R
T上にセットしである。AF測長光学系は第4図と同様
に構成しである。
FIG. 21 shows the length measuring optical system on the fine movement stage AFS of FIG. 20. In FIG. 4, the beam splitter HM2. Retardation plate FPI, FP2, corner cube prism CCI
, CC2, a stand R fixed on a fine movement stage AFS with a corner cube prism CP for removing the polarizing beam splitter BS and the photodetectors P, Dl, PD2 and instead reflecting the laser beam toward the laser interference unit.
It is set on T. The AF length measuring optical system has the same configuration as shown in FIG.

この測長器においても第3図のものと同様の手順(第1
3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。
This length measuring device also follows the same procedure as the one in Figure 3 (1)
(see Figure 3) and action, the length is measured. That is,
A pulse signal is output from the laser interference system each time coarse movement stage SR and fine movement stage AFS are moved and fine movement stage AFS or an object to be measured such as an optical probe (not shown) fixed thereto moves by a predetermined unit length ΔX. The distance between these pulses is interpolated using the analog length measurement output of the AF length measurement system. As a result, while maintaining the accuracy of the laser interferometric measuring system when measuring lengths over large strokes, it is possible to achieve higher resolution (higher precision) length measurement by interpolating between the pulses of this laser interferometric measuring system. be able to.

第22図は、本発明のさらに他の実施例を示す。FIG. 22 shows yet another embodiment of the invention.

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、相対穆勅する2物体の一
方に固定しである。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BGI、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BGI、BG2は互
いに格子ピッチp、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
して配置しである。
In the figure, SM is a reference member provided with a diffraction grating corresponding to the diffraction grating GS in FIG. 4, and is fixed to one of two objects that are movable relative to each other. Optical components other than the reference member SM shown in the figure constitute a length measuring head optical system MH, and are fixed and arranged as one body on the other of the two objects. As shown in FIG. 23, the reference member SM is provided with a diffraction grating GS for grating interference length measurement, and furthermore, blazed gratings BGI, BG2 and AF length measurement standards for AF length measurement are provided in parallel with this grating GS. A plane FT serving as a reflective surface is provided. The two blazed gratings BGI and BG2 are shifted from each other by half of the grating pitch p in the direction of relative movement between the reference member SM and the measuring head optical system MH (in the direction of arrow A).

第22図において、光源LDI 、ハーフミラ−HM2
.位相差板FPIとFP2、ミラーCPIとCF2、偏
光ビームスプリッタBSおよび光検出器PDI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。
In FIG. 22, light source LDI, half mirror HM2
.. Phase plate FPI and FP2, mirror CPI and CF2, polarizing beam splitter BS and photodetector PDI and PD2
constitutes an interferometric length measurement optical system. The interferometric length measuring optical system and the grating interferometric length measuring grating GS on the reference member SM correspond to the optical system and sensor that generate the pulse train described in FIG. 4 and the like.

光源LD2、コリメータレンズCL、ハーフミラ−HM
II、 HM12、対物レンズLNI 、LN2および
光位置検出器Psi、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AP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である。
Light source LD2, collimator lens CL, half mirror HM
II, HM12, objective lenses LNI, LN2, and optical position detectors Psi, PS2 constitute two sets of AF length measurement optical systems. Each AF length measuring optical system is constructed optically equivalent to that described in FIG. 4 and the like. In addition, these AP length measurement optical systems each have a blazed grating BG1 . .. BG2
It is arranged so that the focus is near the surface of the object.

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本うになっている。
Furthermore, the light source LD3 such as a semiconductor laser and the light spot position detection sensor PS3 are for detecting the relative inclination between the detection surface of the length measuring head optical system MH and the reference member SM. The light spot position detection sensor PS3 receives the reflected light from the area FS to obtain a parallelism detection signal between the reference member SM and the measuring head optical system MH. ing.

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BGI
 、BO2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BGI 、BO2のピ
ッチをP11%高低差をHとする。ピッチをPaは゛格
子干渉測長系のパルス列の周期ΔXの偶数倍、例えば1
0倍にしである。
FIG. 25 shows the pulse train signal output from the grating interferometric measurement system in FIG. 22 and the blazed grating BGI on the reference member SM.
, the cross-sectional shape of BO2 (therefore the output of the AF length measurement system)
Indicates the relationship between The pitch of the blazed gratings BGI and BO2 is P11%, and the height difference is H. The pitch Pa is an even multiple of the period ΔX of the pulse train of the grating interferometric measurement system, for example 1
It's 0x.

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。
During length measurement with this device, the pulse train of the grating interference length measurement system has a cumulative number of...-N-1,N as shown in the figure.

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BGIの段差の直前で格子BO2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BGI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S M h< 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BO2側からBGI側への切換を行な
い、N+4番目のパルスのタイミングでBGI側からB
O2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BGIおよびBO2
それぞれに対応するAF測長信号により判別することが
で鮒る。
N+1. Blazed lattice BG1 counting... Each AF length measurement system that measures the BG2 surface position is, for example, the AF on the grating BO2 side just before the step of the grating BGI.
Switch to the length measurement system, and then switch to the AF length measurement system on the grid BGI side immediately before the step of the grid BG2. In other words, when the relative movement of the reference member with respect to the length measuring head MH is in the negative direction of the x-axis, as shown in FIG. 25, the reference member S M h< Switch from the BO2 side to the BGI side at the timing of the pulse, and switch from the BGI side to the BGI side at the timing of the N+4th pulse.
When the relative movement direction of the reference member SM, which switches to the O2 side, is the positive direction of the X-axis, the reference member SM, which switches in the opposite direction, moves relative to the measuring head optical system MH. Which way it is moving is determined by the lattice BGI and BO2
This can be determined based on the AF length measurement signal corresponding to each.

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。
Therefore, the switching direction may be determined based on this discrimination information.

ブレ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(AP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傷信号
り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6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図のに点の位置のときに高低量δの信号
が得られ、0点からに点までのX軸方向の長さはδ・H
/ P Bとして求まる。よって0点に対応するパルス
列がN番目であればに点の位置はN・ΔX+δ・H/ 
p aとして求まる。
The output signal (AP signal) of the AF length measurement system that is focused near the surface of the blazed grating changes as the defocus amount of the AF length measurement optical system changes as the reference member SM moves relatively. Therefore, the movement of the reference member SM in the X-axis direction can be extracted as information on the height direction of the blazed grating surface. ), it is necessary to make the height H of the blazed grating smaller than the height at which AF flaw signal nearness is guaranteed.
Differential output signal ΔI (11th and 12th
If the focus is set so that (see the figure) becomes 0, that is, the focus is set, a signal of the height δ will be obtained at the position of the point shown in Fig. 25, and the signal of the height δ will be obtained in the The length is δ・H
/ PB. Therefore, if the pulse train corresponding to the 0 point is the Nth point, the position of the point is N・ΔX+δ・H/
It is found as p a.

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vArを記憶
し、次のパルス信号が発生するまではこの電圧vAFか
らの差電圧に基づいて補間するようにしてもよい。
In addition, as shown in Fig. 26, each time a pulse signal is generated from the interferometric measurement system, the AF detection voltage vAr at that time is memorized, and the difference voltage from this voltage vAF is used until the next pulse signal is generated. Interpolation may also be performed based on this.

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。
Note that when the light for AF length measurement is incident on the blazed grating, it is preferable to set the plane where the incident light and the reflected light extend to be nearly perpendicular to the direction of relative movement with respect to the reference member SM.

ブレーズド格子は、Siウニへの結晶方向とエツチング
スピードとの関係を利用したウェットエツチングによる
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
工法やりソグライフイとドライエツ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。
The blazed lattice can be manufactured by known methods such as a wet etching method that utilizes the relationship between the crystal direction of Si and the etching speed, a mechanical processing method using a so-called ruling engine, or a manufacturing method using so-grain etching and dry etching. can.

格子干渉測長用格子のピッチpを1.6μm、格子干渉
測長系のパルス列周期を0.4μmとし、AF測長系に
X 100  (N A〜0.9)の対物レンズLNI
 、LN2を用い、ブレーズド格子としてピッチP a
 ”f 3μms高低差H41μm、平面FSに対する
傾き角θ−18°のものを用いたところ、AF傷信号リ
ニアな範囲は1μm弱であり、差動出力最大値(!^−
Ia )−1□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0.0025μmであ
った。また、基準格子SMと測長ヘッド光学系MHとの
相対移動量の測長精度は0.007 μmであった。
The pitch p of the grating for grating interference length measurement is 1.6 μm, the pulse train period of the grating interference length measurement system is 0.4 μm, and the AF length measurement system is equipped with an objective lens LNI of X 100 (NA ~ 0.9).
, LN2 as a blazed grating with pitch P a
When using an f 3μms height difference H41μm and a tilt angle θ-18° with respect to the plane FS, the linear range of the AF scratch signal was a little less than 1μm, and the maximum differential output value (!^-
Ia)-1□ is approximately 2 volts, noise (N) is 5 mV
Met. Differential output value ΔI (
The AF accuracy required as S) was 0.0025 μm. Further, the length measurement accuracy of the relative movement amount between the reference grating SM and the length measurement head optical system MH was 0.007 μm.

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。
In this embodiment, the large stroke length measuring device is not limited to the grating interferometric length measuring device, but may be any other type of length measuring device that can obtain a pulse signal for length measurement, such as a laser interferometric length measuring device. Good too.

また、第22図で各AF測長系は実施例のTTL−AP
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ツ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。
In addition, in Fig. 22, each AF length measurement system is the TTL-AP of the embodiment.
The system is not limited to the optical pickup system used in DAD (digital audio desk) or video desk,
It is also possible to use a system that is used for autofocus in cameras.

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。
Furthermore, either the reference member SM or the measuring head optical system MH may move, or both may move.

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PRI 
、PR2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ツチずれた点を狙
うようにするのが好ましい。
Furthermore, in the above embodiment, two rows of blazed gratings are used, but as shown in FIG.
, PR2 may be attached. In this case, it is preferable that the two probes aim at points substantially shifted by half a pitch on the blazed grating.

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。
In the length measuring device shown in Fig. 22, the length measuring device that outputs pulse signals at intervals corresponding to a fixed length, such as a grating interferometric length measuring device or a laser interferometric length measuring device, uses a blazed lattice pattern to generate pulses. High precision (high resolution) that focuses on the surface shape of the component
Interpolation is performed using the measured length value of the short-stroke AF length measuring means, so while maintaining the high accuracy of the pulse generation position of the length measuring device that generates the pulse, it is possible to further resolve the pulses to achieve high accuracy and high resolution. It is possible to measure the length of

また、AF測長手段は、ストロークが例えば1μm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と微動
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変
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AFs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。
Furthermore, since the AF length measuring means has an extremely small stroke of, for example, about 1 μm, in the embodiment shown in FIG. 3, the stage on which the length measuring head is mounted has a two-stage structure consisting of a moving stage SR and a fine movement stage AFS. Here, we use a blazed lattice-like member consisting of a repeated array of slopes with minute height differences to convert the displacement of a small stroke in the direction of movement of the object to be measured into displacement in the direction transverse to this direction of movement, and then measure it. Therefore, if the height difference of the blazed grid member is set to be within the stroke of the AFs length means, the length of the small stroke displacement of the large stroke movement can be measured without moving the AF means. Can be done.

さらに、2列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ツチずれた点を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
Furthermore, two rows of blazed lattice-like members can be arranged with their step positions shifted in the moving direction, or a point shifted by about half a pitch on one row of blazed lattice-like members can be used as the target for AF length measurement. By switching the target member or position of AF length measurement before and after and not using the AF length measurement signal at a portion where the surface shape of the blazed grid member is uncertain, higher accuracy can be achieved.

第28図は、コーナーキユ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MWは上記2物体の他方に固定しで
ある。
FIG. 28 shows a diffraction grating interferometric length measuring device constructed without using corner cubes. In the figure, a relatively moving diffraction grating GS is fixed to one of two relatively moving objects, and the length measuring head The part MW is fixed to the other of the two objects.

測長ヘッド部MW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−HM2Oで2光束に分けられる。2
つの光束LOI、 LO2はそれぞれλ/4板QWI 
、QW2に入射した後固定格子〇FI 、GF2で回折
を受け、その±N次の回折光LNI、 LN2が相対移
動格子〇Sに入り、ここで再び反射回折を受は同じ方向
に戻って合流する。
Laser light emitted from a light source LD, for example, a semiconductor laser, of the length measuring head MW is turned into a plane wave by a collimator lens CL, and is divided into two beams by a half mirror HM2O. 2
Two luminous fluxes LOI and LO2 are each λ/4 plate QWI
, QW2, it is diffracted by the fixed gratings FI and GF2, and the ±N-order diffracted lights LNI and LN2 enter the relative moving grating S, where they receive reflected diffraction again and return to the same direction and merge. do.

この光をハーフミラ−HM21〜HM23で分は偏光板
PPI〜PP4とセンサ(光検出器)PDI〜PD4の
組合せで電気信号に変換して取り出す。
This light is converted into an electric signal by half mirrors HM21 to HM23 using a combination of polarizing plates PPI to PP4 and sensors (photodetectors) PDI to PD4 and extracted.

ここで、光束LO1,LO2中に置かれているλ自板Q
WI 、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PPl〜PP4は偏光方位が
それぞれ0°、45°1.’、 9o’、 。
Here, the λ self-plate Q placed in the light beams LO1 and LO2
WI and QW2 are set so that their first axes are +45° and -45° with respect to the linearly polarized laser beam, respectively, and the polarizing plates PPl to PP4 are set so that their polarization directions are 0° and 45°1, respectively. .. ', 9o', .

135°になるように角度を設定しておく。Set the angle so that it is 135°.

すると、センサPDI〜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PDI〜PD4からは90”ずつ位相がずれた出力が
得られる。
Then, the amount of light incident on the sensors PDI to PD4 changes as shown in FIG. 29 as the relative movement grating GS moves, and this is obtained as a light amount detection output. In other words, outputs whose phases are shifted by 90'' are obtained from each of the sensors PDI to PD4.

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PDI〜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PCI−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。
Fig. 30 shows the state of the diffracted light beam when the output wavelength of the light source LD changes in the length measuring device of Fig. 28. In Fig. 30, the optical path of the light beam in the best adjusted state is shown as a solid line, The optical path at that time is shown by a dotted line and a dashed-dotted line. When there is a wavelength fluctuation, the outputs of the sensors PDI to PD4 are as shown in FIG. 31, and a so-called bias amount unrelated to the amount of movement of the relative movement grating GS is superimposed on this output. The reason for this is that, as shown in Figure 30, the area of light flux where no interference fringes occur will increase other than the shaded interference area, and the size of the area where no interference fringes will occur will change depending on the amount of wavelength fluctuation. . Therefore, fluctuations as shown in the output signal waveform of the photodetector PCI-PD4 in FIG. 31 occur. However, when processing is performed based on four detection signals whose phases have changed every 90'', division into the signal period can be performed with high accuracy even if a wavelength change occurs. Only two sensors are used, and the phase is 0° and 90°.
By electrically processing only the seed signal, the sensor can be
If you try to obtain a pulse with the same pitch as when using
When there is wavelength variation, the electrical division accuracy of the obtained signal deteriorates. This is the same as described above using FIGS. 5-8.

また、第6図に示すような構成で21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)cci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。
In addition, with the configuration shown in Figure 6, the light entering the grating GS at 21 points changes in the diffraction direction (angle) as the wavelength of the light source LD changes.
changes. Corresponding to this characteristic, corner cubes (prisms) cci and CC2 are arranged. A corner cube is a prism formed by processing the angle between its many faces to 90'' so that the light is reflected and returned in the same direction as the direction of the incident light. However, this corner cube requires high precision in machining, which results in high costs.

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(固定格子〇FI 、GF
2 )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8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。
In the apparatus shown in Fig. 28, in addition to the moving grating GS, there are also diffraction gratings (fixed gratings FI, GF) on the length measuring head MH side.
2), the ±N-order light from the fixed grating is re-diffracted by the moving grating, and the diffracted light passes through the same optical path and reaches the sensor. Therefore, as described above, even without a corner cube, it is possible to obtain interference light whose brightness changes according to the movement of the moving grating when the wavelength changes. In other words, this grating interferometric length measuring device does not require a corner cube and has good stability against wavelength fluctuations, so it is possible to reduce the cost of the device. Further, as shown below, it becomes easy to implement the IC.

例えば第6図のような構成の格子干渉測長器は光源LD
、偏光ミラーBS、コーナーキューブCCI 、CC2
、偏光板PPI 、PP2 、検出器PD1.P02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。
For example, a grating interferometer with the configuration shown in Figure 6 uses a light source LD.
, polarizing mirror BS, corner cube CCI, CC2
, polarizing plates PPI, PP2, detector PD1. P02 etc. were combined separately to form a three-dimensional structure. Therefore, there is a problem in that errors are mixed into the interference signal due to mechanical fluctuations between optical members, temperature changes, and air fluctuations, resulting in deterioration of length measurement accuracy. In addition, since the light source and detection system were installed separately, they occupied a large space, making it impossible to make them smaller. Furthermore, due to the spatial distance from the detection system to the processing circuit, noise is likely to enter, resulting in problems such as poor measurement accuracy.

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
FIG. 32 shows a grating diffraction length measuring device in which the above-mentioned drawbacks are solved by converting the main parts into ICs. Here, an example is shown in which a portion corresponding to the optical system of the length measuring head MH of the length measuring device shown in Fig. 28 and a signal processing electrical system that generates pulses depending on the brightness of interference light are formed on a GaAs substrate. shows.

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。
A dielectric waveguide WG layer is formed on the GaAs substrate SB, and light waves propagate along a preset optical path.

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ビームスプリッタ部
LS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。グレーティングカブラGCI 、CC2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。
The light source LD can be formed on the GaAs substrate SB by, for example, MBE (molecular beam epitaxy). The lens and beam splitter section LS formed in the waveguide WG convert the diverging light from the light source LD into parallel light and then split it into two directions. The grating coupler GCI, CC2 emits the light wave propagated in the thin film waveguide WG into space at a certain angle.

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、グレーティングカブラGCI 
、CC2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。
The reference diffraction grating GS is the moving grating GS of the length measuring device shown in FIG.
It is equivalent to grating Kabra GCI
, and diffract the light waves from CC2 in the same direction. The photodetector PD detects the interference light intensity of the diffracted light from the reference diffraction grating GS.

次に動作を説明する。Next, the operation will be explained.

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LO1,LO2として導波路WG中を伝搬する。そ
れぞれの光L 01.  L 02は基準格子GSの長
手方向と平行になるようにミラーMRI 、MR2によ
り導波路WG中で反射され、グレーティングカブラGC
I 、GC2に入る。グレーティングカブラGCI 、
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。
The light wave from the light source LD propagates in the waveguide WG, and is propagated in the waveguide WG as parallel lights LO1 and LO2 in two different directions by the lens and beam splitter section LS. Each light L 01. L02 is reflected in the waveguide WG by mirrors MRI and MR2 so as to be parallel to the longitudinal direction of the reference grating GS, and is reflected by the grating coupler GC.
I, enter GC2. Grating Cabra GCI,
The GC2 emits the light waves that have propagated in the waveguide WG from the substrate surface to the outside through the waveguide surface at a certain set angle.

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 = 1.6μm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。  。
This angle is related to the pitch of the reference grating GS and the wavelength of the light, and when using a reference grating with a pitch p = 1.6 μm,
If the wavelength is λ = 0.83μm, the output angle is 58.8''
”.

グレーティングカブラGCI 、GC2からの2つの光
波は基準回折格子〇Sにより垂直回折されて光検出器P
Dに入る。光検出1lPDでは2つの回折光の干渉強度
を光電変換する。
The two light waves from the grating coupler GCI and GC2 are vertically diffracted by the standard diffraction grating S, and the photodetector P
Enter D. The photodetector 1lPD photoelectrically converts the interference intensity of the two diffracted lights.

次に測長器としての動作原理を説明する。Next, the principle of operation as a length measuring device will be explained.

グレーティングカブラGCI 、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。
The light waves emitted into space by the gratings GCI and GC2 are diffracted on the reference grating GS, and the intensity distribution of the diffracted light at that time is expressed by the following equation.

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ブラGCI 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ブラGC2 からの光が基準回折格子で回折され る回折次数 である。
Here, is the diffraction order diffracted at .

今、m!+1、new−1、pml、6μmとすると、
■は となり、基準格子GSが0.1μm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。
Now m! +1, new-1, pml, 6μm,
■ becomes 1 for each 0.1 μm pitch movement of the reference grating GS.
It can be seen that the signal is a periodic sine wave signal. The detector PD is
By counting the period of this sine wave signal, the amount of movement of the reference grating GS can be measured.

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。
This grating interferometric length measuring device integrates the light source, optical components, and detection system processing circuit on the same board, making it more compact and
Low noise and high accuracy are possible.

次に、基準路、子GSの移動方向を検出する手段につい
て述べる。
Next, a means for detecting the reference path and the moving direction of the child GS will be described.

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。
To detect the direction of movement, it is necessary to obtain two signals with a phase difference of 1/4 period.

具体的方法としては、例えば第33図のように基(例え
ばmwt、nw−tとすれば178ピツチ)位相をずら
して2列の格子線列GLI 、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PDI 、PD2を形成しておく。
As a specific method, for example, as shown in FIG. 33, two grating line arrays GLI and GL2 are formed by shifting the phase by a base (for example, 178 pitches for mwt and nw-t).
Further, two photodetectors PDI and PD2 are formed on the substrate SB corresponding to each grid line array.

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poi。
Each grid line row GL1. The diffracted light from each GL2 is sent to separate spatially separated sensor poi.

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174周期位相のずれた信号として得るこ
とができる。
Receive at PD2. The signal thus obtained can be obtained as a signal whose phase is shifted by 174 cycles, as shown in FIG.

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。
FIG. 35 is an example in which a grating interferometric length measuring device is converted into an optical heterodyne.

この場合は、途中に周波数シフタFS例えば□S A 
W (S urfaca  A caustic  W
 ave )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fo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f0およびfo+Δfの光波を
それぞれグレーティングカブラGCIおよびGC2を介
して格子線列が1列の基準路、千〇S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。
In this case, a frequency shifter FS, for example, □SA
W (Surfaca A caustic W
ave) device, it is possible to obtain a light wave whose frequency is shifted by Δf, which is the oscillation frequency of the oscillator OSC, with respect to the frequency fo of the output light from the light source LD. These light waves of frequencies f0 and fo+Δf are incident on a reference path 100S having one row of grating lines through grating couplers GCI and GC2, respectively, and the light diffracted by the reference grating GS is received by a photodetector PD.

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B動量と8動方向を検出することができる
The signal directly obtained by the photodetector PD is as follows, and by detecting the phase difference with the output signal of the oscillator OSC by the phase detection circuit PSD, the B movement amount and the 8 movement direction of the reference grating GS are detected in the same way as in the previous embodiment. can do.

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)を用いる必要がなく、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。
The feature of this device is that there is no need to use a special grid for determining direction (see, for example, FIG. 33), and furthermore, time averaging can be performed in a short time, so the amount of movement can be detected with high accuracy.

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Si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。
Note that in the length measuring device ICs shown in FIGS. 32 and 35, a GaAs substrate is used as the substrate SB, but this may also be on a Si substrate. In that case, the light source LD would be externally attached. .

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。
In this way, by integrating the optical system other than the reference grating and the signal processing electrical system on a single substrate in a grating interferometric length measuring instrument, it is possible to achieve a compact, lightweight, and highly accurate device that does not require assembly or adjustment and is resistant to external disturbances. length measurement becomes possible.

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。
In a typical grating interferometric measurement device, a system is constructed by arranging mirrors, corner cubes, etc. In particular, mirrors and the like are used in the optical system that enters the grating, making assembly and adjustment difficult and making it compact.

第36図は、ウオーラストンプリズムのような複屈折プ
リズムを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。
FIG. 36 shows an example in which the optical system until the light enters the grating is simplified by making the light incident on a relatively moving grating using a birefringent prism such as a Wallaston prism.

同図において、半導体レーザ等の光源LDから出た光を
コリメータレンズCLにより平面波にし、ウオーラスト
ンプリズムWPに垂直入射する。ウオーラストンプリズ
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。ウオーラストンプリズム
WPに入る光は例えばP、S両偏光LOP。
In the figure, light emitted from a light source LD such as a semiconductor laser is converted into a plane wave by a collimator lens CL, and is vertically incident on a Wallaston prism WP. A Wallaston prism is made by bonding two birefringent materials, such as calcite, into a prism shape, which separates the light into two mutually perpendicularly polarized components so that light from both components can be extracted. This situation is shown in FIG. The light entering the Wallaston prism WP is, for example, both P and S polarized light LOP.

LO5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とウオ
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。
It may be linearly polarized light having a polarization direction of, for example, 45 degrees with respect to LO5, or it may be circularly polarized light by inserting a λ/4 plate between collimator lens CL and Wallaston prism WP.

第37図において、ウオ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PPI 、PP2を配した2つの光
検出器PDI 、PO2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PPIとPP2は互いに45°偏光
軸をずらしである。
In Fig. 37, the P-polarized light and the S-polarized light of the light exiting the Wallaston prism WP are at the same angle of incidence with respect to the grating GS, and the components in the relative movement direction of the grating GS (direction of arrow A) are in opposite directions. The state is as follows. This light is λ
When passed through a /4 plate QW, the P-polarized light and the S-polarized light become circularly polarized light with opposite rotation directions. These circularly polarized lights spatially interfere with each other. This interfered light is split by a beam splitter BS and guided to two photodetectors PDI and PO2, which have polarizing plates PPI and PP2 in front, as shown in Figure 5. A signal output as shown in FIG. 3 is obtained, and the signal of the grating interferometer is obtained by performing the electrical processing as described above for the apparatus shown in FIG. The polarizing plates PPI and PP2 have their polarization axes shifted by 45° from each other.

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
係がウオ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。
In the apparatus shown in FIG. 36, other birefringent prisms such as a Rochon prism or a Glan-Thompson prism may be used. However, in the case of these prisms, the relationship between the alignment of the incident light and the prism is not like that of the Wallaston prism, where the incidence is perpendicular to the end face.

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。
Fig. 38 shows the length measurement standard grating GS by folding the optical path using a corner cube and making the diffracted light go back and forth twice.
An example of a grating interferometer that increases the resolution of the system by increasing the number of light divisions to 8 is shown below.

例えば、第4図に示す構成の測長器ではセンサPDI 
、PO2における光量が、第5図(a)。
For example, in a length measuring instrument with the configuration shown in Fig. 4, the sensor PDI
, the amount of light at PO2 is shown in FIG. 5(a).

(b)の信号R%Sで示すように、基準格子GSのピッ
チの174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PDI、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ピツチ
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。
As shown by the signal R%S in (b), it changes at a period of 174 times the pitch of the reference grating GS. In the above-mentioned grating interferometric length measuring device, the light amount detection signal R% of the sensors PDI and PD2 is
The resolution is improved by electrically dividing the period of S to increase the number of pulse signals per pitch of the grating GS.

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。
However, when dividing by electrical processing, the pulse interval may vary due to fluctuations in signal amplitude or DC level, resulting in deterioration of accuracy.

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!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178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。
On the other hand, here, the number of diffractions at the length measurement standard grating GS is increased and the standard grating GS! By configuring the optical system so that the light intensity of the sensor changes many times, such as 8 times, during the pitch movement, the light intensity of the sensor can be changed at a fine cycle of 178 times, which is the pitch of the reference grating. , the number of divisions into the grating is increased by optical arrangement.

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C
Lで平面波光束LO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L 11. L 12はコーナーキ
ューブCCI 。
In FIG. 38, the light emitted from the light source LD such as a semiconductor laser of the grating interferometric length measurement optical system is transmitted through the collimator lens C.
It is made into a plane wave light beam LO at L, and is incident on a point P1 on the length measurement reference grating GS, which is movable relative to the optical system. This incident light is diffracted by the reference grating GS. Diffracted light L of ±Nth order, respectively 11. L 12 is corner cube CCI.

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L
 21.  L 22は位相差板FPI、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 、P
5に戻る。格子GSで再再度回折された光L31. L
32はコーナーキューブCCI 、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M
R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PPI、PP2を通ってセンサPDI 、PD
2に至る。
CC2, where it is reflected in a direction parallel to and opposite to the original optical path, and returns to point P2. on the length measurement standard grating GS. It reaches point P3 and is diffracted again by the grating GS. Light L diffracted again
21. L22 changes its polarization state by passing through the phase difference plates FPI and FP2, and is then reflected by the corner cubes CC3 and CC4 to points P4 and P on the grating GS.
Return to 5. Light L31. which is diffracted again by the grating GS. L
32 is reflected once again by the corner cubes CCI and CC2 and returns to the same point P6 on the grating GS, where it undergoes the fourth diffraction. Lights L41 and L42 that have undergone four degrees of diffraction interfere with each other. This interference light is reflected by mirror M
R, the beam splitter HM splits the beam into two beams, passes through polarizing plates PPI and PP2, and sends them to sensors PDI and PD.
2.

位相差板FPI、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
トしである。また偏光板PPI 、PP2はそれぞれ0
6.45′″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PDI 、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2.4μm1回折次数が
すべて±1であれば、センサPDI 、PD2では格子
のピッチの178である0、3μm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
ツチ当たり32個、周期0.075μmのパルスを、得
ることができる。
The retardation plates FPI and FP2 are, for example, λ/4 plates, and each uses a laser beam L21. The first axis is set to +45'' and -45' for the linearly polarized light of L22.The polarizers PPI and PP2 are set to 0, respectively.
It is sufficient to set the angle of the polarizing plate so that the angle becomes 6.45''. Then, the two sensors PDI and PD2 obtain signals whose phases are shifted by 90 degrees and whose intensity fluctuates.
For example, if the length measurement reference grating has a pitch of 2.4 μm and all the diffraction orders are ±1, the sensors PDI and PD2 obtain signals with a period of 0.3 μm, which is 178 of the pitch of the grating. If this is further divided, for example, by the electrical division method described above for the length measuring instruments of FIGS. 4 and 6, it is possible to obtain 32 pulses per pitch, which is twice the number described above, with a period of 0.075 μm.

第4および6図の構成の測長器では2.4μmの格子ピ
ッチに対しセンサでの信号強度は0.8μm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
In the length measuring device having the configuration shown in FIGS. 4 and 6, the signal intensity at the sensor has a period of 0.8 μm for a grating pitch of 2.4 μm. Therefore, compared to the length measuring instruments shown in FIGS. 4 and 6, this embodiment can obtain twice the resolution due to the optical arrangement.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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、′!iA6図の構成における位相o0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測長系の作用説羽口、 第11図は、第1θ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1.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 (=IA−Is )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、ウオ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図におけるウオ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 L!: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小ス小ストロークデステ ージ:光ブローブ 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:/座標検出用測長器 SR:移動ステージ GS:回折格子(基準尺、8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:ビームスブリツタ (またはハーフミラ−) 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:アクチェエータ MO:被検物体 O3:測長基準面 ED:信号処理電気系 PC:パルス列測長器電気系 FFz合焦検知系 CPU:中央制御演算系 Lz:レーザヘッド !U: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:GaAs基板 WG:誘電体導波路層 LS:レンズおよびヒームスプリツタ部GCニゲレーテ
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:ウオーラストンプリズム APニアパーチャ 特許出願人   キャノン株式会社 代理人 弁理士   伊 東 哲 也 代理人 弁理士   伊 東 辰 雄 第3図 第5図 第6図 第15図 k。 第18図 第24図 前26 rl!I 第27 rl!j 第37図 PD2 第38図
Fig. 1 is an overview of a length measuring device according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a partially enlarged view of the arrangement space for optical probes, etc. in Fig. 1, and Fig. 3 is a length measuring device set on a 1-axis stage. A schematic configuration diagram of a length measuring device according to an embodiment of the present invention; FIG. 4 is an explanatory diagram of the configuration of the length measuring head in FIG. 3; FIG. 5 is an output waveform diagram of the photodetector in FIG. 4; Fig. 6 is an explanatory diagram of the operation of the grating interferometric length measurement system in Fig. 4, Fig. 7 is an explanatory diagram of the rotation of the polarization direction of the detection light in the configuration of Fig. 6, and Fig. 8 is a diagram illustrating the rotation of the polarization direction of the detection light in the configuration of Fig. 6. iA6 A signal waveform diagram of phases o0 and 180° in the configuration shown in FIG. ,
The working theory of the AF length measurement system tuyere in FIG. 4; FIG. 11 is a diagram showing the spot state and light amount distribution on the position sensor surface with respect to the plane mirror position in FIG. 1θ; FIG. A characteristic diagram showing the relationship between the differential signal ΔI (=IA-Is) created from the output of the position sensor and the position (defocus amount) of the plane mirror, FIG. 13 is the length measuring device shown in FIG. Flowchart showing the operation of FIG. 14 is an output signal characteristic diagram of the grating interference length measurement system in the length measurement device shown in FIG. Signal characteristic diagram, Figure 16 is a configuration diagram showing an embodiment assembled as a length measuring unit, Figure 17 is a flowchart showing the operation of the length measuring unit in Figure 16, Figure 18 is the diagram shown in Figure 16. 19 is a characteristic diagram showing the relationship between the grating interferometric length measurement pulse signal and the AF length measurement output voltage in the length measurement unit of FIG. 19. FIG. 19 is a schematic configuration diagram when the length measurement unit of FIG. FIG. 20 is a schematic configuration diagram showing an embodiment using a laser interferometric length measurement system as the interferometric length measurement system. FIG. 21 is a diagram showing details of the length measurement optical system on the fine movement stage in FIG. 20. 23 is a perspective view of the reference member on which the blazed grating is formed. FIG. 24 is a diagram showing the blazed grating and AF length measurement in FIG. 22. FIG. 25 is an explanatory diagram showing the positional relationship with the long system, and FIG. 26 is a characteristic diagram showing the relationship between the output pulse train signal of the grating interferometric length measurement system and the output of the AF length measurement system in FIG. An explanatory diagram showing the relationship between the reference member position and the AF length measurement signal switching state in a modification of the embodiment shown in FIG. 20, and FIG. 27 shows a blazed grating and an AF length measurement system in another modification of the embodiment shown in FIG. FIG. 28 is a configuration diagram of a diffraction grating interferometer according to an embodiment of the present invention configured without using a corner cube. FIG. 29 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the 30 is an explanatory diagram showing the state of the diffracted light flux when the output wavelength of the light source fluctuates in the length measuring device shown in FIG. 28. FIG. 31 shows the fluctuation of the light source wavelength in FIG. 28. Fig. 32 is a configuration diagram of a grating diffraction length measuring device according to an embodiment of the present invention in which the main parts are integrated into ICs, and Fig. 33 is a diagram of the length measuring device of Fig. 32. 34 is an output waveform diagram of each photodetector in the length measuring device shown in FIG. 33. FIG. 35 is a further modified example of the length measuring device shown in FIG. 32. FIG. 36 is a block diagram of a grating interferometric length measuring device according to an embodiment of the present invention using a Wollaston prism, and FIG. 37 shows the action of the Wollaston prism in FIG. 36. Explanatory diagram,
FIG. 38 is a configuration diagram of a grating interferometric length measuring device according to an embodiment of the present invention in which the resolution of the system is increased by making the diffracted light go back and forth to the length measuring reference grating twice. DS: Stage base XS: X stage YS: Y stage L! : Laser interference length measurement device CP: Corner cube prism Dv = placement space for optical probes, etc. DFS: Base for small stroke stage XFS: Small stroke X stage YFS Small stroke small stroke destage: Optical probe SX: x direction standard HX : x-direction measuring head MX: x-coordinate detection length measuring device SY: y-direction standard HY: y-direction measuring head MY: /coordinate detection length measuring device SR: Moving stage GS: Diffraction grating (standard, 8 MH: Measuring head SP: Surface plate PM: Plane mirror AFS: Fine movement stage (AF stage) FD: Fine drive mechanism LD: Light source CL: Collimator lens HM: Beam splitter (or half mirror) CC: Corner cube Prism (or prism mirror) BS: Polarizing beam splitter PD: Photodetector (detector, optical sensor) LN: Objective lens PS: Optical position detector (sensor) ST: Stage movable part QW: λ/4 plate GL: Light condensing Lens SS: Stage fixing part AT: Actuator MO: Test object O3: Length measurement reference plane ED: Signal processing electrical system PC: Pulse train length measuring device electrical system FFz Focus detection system CPU: Central control calculation system Lz: Laser head! U: Interference unit SM: Reference member BG: Blazed grating FT: Plane serving as a reflective surface FP: Retardation plate GF: Fixed grating PP: Polarizing plate SB: GaAs substrate WG: Dielectric waveguide layer LS: Lens and heam splitter section GC Nigelating coupler FS: Frequency shifter OSC: Oscillator PSD: Phase detection circuit MR: Mirror WP: Wallaston prism AP near aperture Patent applicant Canon Co., Ltd. agent Patent attorney Tetsuya Ito Patent attorney Tatsuo Ito No. 3 Figure 5 Figure 6 Figure 15 k. Figure 18 Figure 24 Front 26 rl! I 27th rl! j Figure 37 PD2 Figure 38

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)相対的に移動する2物体の相対位置が所定ピッチ
変位するごとにパルス信号を出力する第1測長手段と、 少なくとも上記所定ピッチの1ピッチ分の範囲で上記2
物体間の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
記相対位置の変位量を上記所定ピッチの1ピッチ分より
小さな分解能で検知する演算手段と を具備することを特徴とする測長装置。
(1) a first length measuring means that outputs a pulse signal every time the relative positions of two relatively moving objects displace by a predetermined pitch;
A second circuit that generates an electrical level signal according to the amount of displacement between objects.
A length measuring device comprising a length measuring means and a calculation means for detecting the amount of displacement of the relative position based on the pulse signal and the electrical level signal with a resolution smaller than one pitch of the predetermined pitch. .
(2)前記第1測長手段が、前記2物体の一方に光源お
よ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。
(2) The first length measuring means is configured by disposing an interferometric length measuring head equipped with a light source and a photodetector on one of the two objects and a diffraction grating on the other, and using the diffraction grating as a standard and measuring the length. 2. The length measuring device according to claim 1, which is a grating interferometric length measuring device that outputs a pulse signal according to a change in the intensity of light obtained by interfering diffracted lights of different orders formed by a diffraction grating.
(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。
(3) The length measuring device according to claim 1, wherein the first length measuring means is a laser interference length measuring device.
(4)前記2物体の一方が第1ステージ上に搭載された
第1ステージより小ストロークの第2ステージであり、
前記第2測長手段が該第1ステージに対する第2ステー
ジの相対変位量に応じた電気レベル信号を出力するもの
であり、前記演算手段が該第1ステージ移動時に前記第
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
される距離だけ該第2ステージを駆動して該パルス信号
発生位置と被計測位置における該第2測長手段の出力を
検知しこれら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。
(4) one of the two objects is a second stage with a smaller stroke than the first stage mounted on the first stage;
The second length measuring means outputs an electrical level signal according to the amount of relative displacement of the second stage with respect to the first stage, and the calculating means outputs an electric level signal from the first length measuring means when the first stage moves. calculate the relative displacement amount in units of the predetermined pitch by accumulating the pulse signals generated, and drive the second stage by a distance such that at least one pulse signal is output from the first length measuring means in the vicinity of the measured position. and detects the output of the second length measuring means at the pulse signal generation position and the measured position, and calculates the distance between the pulse signal generation position and the measured position based on these outputs. A length measuring device according to claim 2 or 3.
(5)前記第2測長手段が、前記第2ステージに固定さ
れて前記第1ステージの前記相対移動方向に垂直な面に
合焦可能な対物レンズを備え、該対物レンズの該垂直面
に対するフォーカス状態に応じた電気信号を出力するオ
ートフォーカス検知手段である特許請求の範囲第4項記
載の測長装置。
(5) The second length measuring means includes an objective lens fixed to the second stage and capable of focusing on a plane perpendicular to the relative movement direction of the first stage, The length measuring device according to claim 4, which is an autofocus detection means that outputs an electric signal according to a focus state.
(6)前記オートフォーカス検知手段が、前記対物レン
ズの主光軸から偏心した位置に光線を入射する光源と、
前記垂直面で反射され該対物レンズを介して入射される
光線の入射位置を検出する光位置検知手段とを備える特
許請求の範囲第5項記載の測長装置。
(6) a light source in which the autofocus detection means enters a light beam at a position eccentric from the main optical axis of the objective lens;
6. The length measuring device according to claim 5, further comprising a light position detecting means for detecting the incident position of the light beam reflected by the vertical surface and incident through the objective lens.
(7)前記第2測長手段が、前記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計測する手段とを備え
る特許請求の範囲第2または3項記載の測長装置。
(7) The second length measuring means includes a surface arranged on one of the two objects along the relative movement direction and inclined with respect to the relative movement direction, and a surface that is fixed to the other object and arranged in the relative movement direction. 4. The length measuring device according to claim 2, further comprising means for measuring the distance from the side surface of the slope to the inclined surface.
(8)前記第2測長手段が、前記傾斜面近傍に傾斜面に
対するフォーカス状態に応じた電気信号を出力するオー
トフォーカス検知手段である特許請求の範囲第7項記載
の測長装置。
(8) The length measuring device according to claim 7, wherein the second length measuring means is an autofocus detection means that outputs an electric signal near the inclined surface according to a focus state on the inclined surface.
(9)前記オートフォーカス検知手段が、前記対物レン
ズの主光軸から偏心した位置に光線を入射する光源と、
前記垂直面で反射され該対物レンズを介して入射される
光線の入射位置を検出する光位置検知手段とを備える特
許請求の範囲第8項記載の測長装置。
(9) a light source in which the autofocus detection means enters a light beam at a position eccentric from the main optical axis of the objective lens;
9. The length measuring device according to claim 8, further comprising a light position detecting means for detecting an incident position of a light beam reflected by the vertical surface and incident through the objective lens.
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