KR20110137755A - 위치 검출 장치 - Google Patents

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KR20110137755A KR1020110059094A KR20110059094A KR20110137755A KR 20110137755 A KR20110137755 A KR 20110137755A KR 1020110059094 A KR1020110059094 A KR 1020110059094A KR 20110059094 A KR20110059094 A KR 20110059094A KR 20110137755 A KR20110137755 A KR 20110137755A
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아키히로 구로다
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가부시키가이샤 모리 세이키 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 위치 검출 장치에 관한 것으로서, 2차 이상의 회절광 및 미광(迷光)의 발생을 억제하고, 위치 검출 신호의 S/N비를 개선하여 검출 정밀도의 향상을 도모하는 것을 과제로 한다. 본 발명에 의하면, 굴절율 n의 보호층(12)에서 격자면(11a)이 덮힌 회절 격자(11)의 피치를 d, 조사(照射)되는 가간섭광(Coherent Light)의 진공 중의 파장을 λ0로 할 때, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자(11)로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 1차 회절광을 위치 검출에 사용한다.

Description

위치 검출 장치{POSITION DETECTION DEVICE}
본 발명은, 회절 격자(diffraction grating)의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 위치 검출 장치에 관한 것이다.
종래부터, 공작 기계나 반도체 제조 장치 등의 가동 부분의 상대 이동 위치를 검출하는 광학식 변위 측정 장치로서, 이동하는 스케일 상에 기록되어 있는 회절 격자의 위치의 변위를 광의 간섭을 이용하여 검출하도록 한 것으로서, 격자 간섭계를 사용한 변위 측정 장치가 알려져 있다.
본 건 발명자들은, 간섭시키는 2개의 회절광을 높은 정밀도로 중첩시켜, 이동하는 가동 부분의 이동 위치를, 고분해능으로, 또한 고정밀도로 검출할 수 있도록 한 광학식 변위 측정 장치를 이미 제안하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
상기 특허 문헌 1의 개시 기술에서는, 가간섭광(Coherent Light)이 제1 결상(結像) 수단에 의해 회절 격자의 격자면에 결상하고 있고, 또한 제1 회절광이 제2 결상 수단에 의해 평행광이 되고 반사 광학계의 반사기에 항상 수직으로 조사(照射)되고 있는 구조로 함으로써, 제1 회절광의 광축이 어긋난 경우라도, 반사된 제1 회절광은 항상 입사했을 때와 동일한 경로를 역행하여 회절 격자의 격자면 상의 결상 위치는 변화하지 않고, 이 제1 회절광이 회절함으로써 생기는 제2 회절광의 광축이 어긋나지 않고, 또한, 광로 길이의 변화도 생기지 않도록 하여, 회절 격자가, 격자 벡터에 대하여 평행한 방향 이외로 이동한 경우 등에, 예를 들면, 회절 격자가 경사지거나 회절 격자에 너울이 생기는 경우에도, 검출하는 간섭 신호가 저하하지 않도록 하고 있다.
또한, 회절 격자의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 격자 간섭계용의 광학 스케일에서는, 회절 격자가 공기 중에 노출되어 있으면, 지문이나 먼지가 부착되거나, 손상을 입으므로, 회절 격자가 형성된 면을 덮도록 투명한 보호층을 형성함으로써, 회절 격자 표면을 오염이나 손상으로부터 보호하는 것이 행해지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
일본 특허출원 공개번호 2000-81308호 공보 일본 특허출원 공개번호 평 5-232318호 공보
그런데, 상기 특허 문헌 1의 개시 기술에 있어서는, 입사각≠회절각으로 함으로써, 0차광이 광로에 혼입되는 것을 방지할 수 있도록 하고 있다. 그러나, 조건에 따라서는 고차(高次)의 회절광이 발생하고, 회절 격자의 보호층의 경계면 등에서의 반사에 의해 미광(迷光)이 되어, 광로에 혼입되는 것에 의한 검출 정밀도의 저하를 초래하는 경우가 있다.
상기 고차의 회절광이 보호층의 경계면에서 반사에 있어서 미광으로 되는 것을 방지하기 위해 상기 보호층의 표면에 반사 방지막을 형성하는 것을 고려할 수 있지만, 고차의 회절광의 모든 반사를 방지하는 구조로 만드는 것은 곤란하였다.
이에, 본 발명은, 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 2차 이상의 회절광 및 미광의 발생을 억제하고, 위치 검출 신호의 S/N비를 개선하여 검출 정밀도의 향상을 도모한 격자 간섭계용의 광학 스케일을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적, 본 발명에 의해 얻어지는 구체적인 이점은, 이하에서 설명하는 실시예의 설명에 의해 더욱 명확하게 된다.
여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 파장 λ0의 가간섭광 La가 굴절율 n의 매질(2)을 통하여 입사각 θ0를 가지고 회절 격자(1)에 입사한 경우, 상기 회절 격자(1)가 형성된 면의 법선과 광선과의 이루는 각도로 나타내는 입사각 θ0와 회절각θ의 플러스 방향을 도 1과 같이 취하고, 상기 회절 격자(1)의 피치를 d, 회절 차수를 m으로 하고, 입사각 θ0와 회절각 θ가 다음 식 (1)
sinθ=(mλ0/dn)-sinθ0···식 (1)
을 만족시키는 각 차수의 회절광이 생긴다.
그러나, 상기 식 (1)에 있어서, 입사각 θ0가 다음의 조건식
(2λ0/dn)-sinθ0>1과, 또한 (-2λ0/dn)-sinθ0<-1
을 만족시키면, ±2차 이상의 고차의 회절광은 생기지 않는다.
그래서, 본 발명에서는, 회절 격자로의 가간섭광 La의 입사각 θ0를 다음의 식 (2)
d<2λ0/n과, 또한 |sinθ0|<(2λ0/dn)-1···식 (2)
를 만족시키도록 설정함으로써, ±2차 이상의 고차의 회절광이 생기지 않도록 한다.
즉, 본 발명은, 회절 격자의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 위치 검출 장치로서, 회절 격자가 형성된 면을 덮도록 형성된 굴절율 n의 보호층을 가지고, 진공 중의 파장을 λ0, 상기 회절 격자의 피치를 d로 했을 때, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 1차 회절광을 위치 검출에 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 회절 격자의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 위치 검출 장치로서, 회절 격자가 형성된 면을 덮도록 형성된 굴절율 n의 보호층을 가지고, 진공 중의 파장을 λ0, 상기 회절 격자의 피치를 d로 했을 때, d<3λ0/2n으로 하고, 상기 회절 격자로의 가간섭광의 입사각 θ0를
1-(λ0/dn)<sinθ0<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 상기 회절 격자에 의한 1차 회절광이 반사 광학계를 통하여 되돌아가서 재입사되고, 상기 회절 격자에서 재회절시킨 1차 회절광을 위치 검출에 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 회절 격자의 피치를 d, 보호층의 굴절율 n으로 했을 때, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 1차 회절광을 위치 검출에 사용함으로써, 위치 검출에 필요없는 고차의 회절광의 발생을 방지할 수 있어 회절 격자가 형성된 면을 덮도록 형성된 굴절율 n의 보호층의 경계면에서의 반사에 의한 불필요한 회절광으로부터의 미광의 발생을 방지하여, 위치 검출 광로에 미광이 혼입되는 것을 예방할 수 있다.
또한,
d<3λ0/2n
이 되는 식을 만족시키고, 상기 회절 격자로의 가간섭광의 입사각 θ0를
1-(λ0/dn)<sinθ0<(2λ0/dn)-1
이 되는 식을 만족시키는 각도로 설정함으로써, 상기 회절 격자에 의한 1차 회절광이 반사 광학계를 통하여 되돌아가서 재입사되고, 상기 회절 격자에서 재회절시킨 1차 회절광을 위치 검출에 사용함으로써, 재입사된 1차 회절광에 대해서도, 위치 검출에 필요없는 고차의 회절광의 발생을 방지할 수 있어, 상기 굴절율 n의 보호층의 경계면에서의 반사에 의한 불필요한 회절광으로부터의 미광의 발생을 방지하여, 위치 검출 광로에 미광이 혼입되는 것을 예방할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 2차 이상의 회절광 및 미광의 발생을 억제하고, 위치 검출 신호의 S/N비를 개선하여 검출 정밀도의 향상을 도모한 위치 검출 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 회절 격자에 의해 발생하는 회절광의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명을 적용한 광학식 변위 측정 장치의 구성을 나타낸 외관 사시도이다.
도 3은 상기 광학식 변위 측정 장치에 적용한 광학 스케일의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 상기 광학식 변위 측정 장치의 경사면 A 상에 배치된 구성 요소를, 이 경사면 A에 대하여 수직인 방향으로부터 본 측면도이다.
도 5는 상기 광학식 변위 측정 장치의 회절 격자에 입사되는 가간섭광 및 이 회절 격자에 의해 회절되는 회절광을 격자 벡터 방향으로부터 본 측면도이다.
도 6은 상기 광학식 변위 측정 장치의 경사면 B 상에 배치된 구성 요소를, 이 경사면 B에 대하여 수직인 방향으로부터 본 측면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 발명은, 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이 구성된 광학식 변위 측정 장치(100)에 적용된다.
이 광학식 변위 측정 장치(100)는, 반사형의 회절 격자(11)가 형성된 광학 스케일(10)을 구비하여, 공작 기계 등의 가동 부분의 위치 검출을 행하는 장치이다.
상기 광학 스케일(10)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 회절 격자(11)의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 격자 간섭계용의 광학 스케일로서, 회절 격자(11)가 형성된 면을 덮도록 형성된 굴절율 n의 보호층(12)을 가지고, 진공 중의 파장을 λ0, 상기 회절 격자(11)의 피치를 d로 하고, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자(11)로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하거나, 또는
d<3λ0/2n의 식을 만족시키도록, 상기 회절 격자(11)의 피치 d가 설정되어 있고, 상기 회절 격자(11)로의 가간섭광의 입사각 θ0를
1-(λ0/dn)<sinθ0<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 상기 회절 격자(11)에 의한 1차 회절광이 반사 광학계를 통하여 되돌아가서 재입사되고, 상기 회절 격자(11)에서 재회절시킨 1차 회절광이 위치 검출에 사용된다.
이 광학 스케일(10)은, 반사형 스케일이며, 유리, 세라믹 등의 베이스 기재(基材)(13) 상에 물리적인 요철을 가지는 회절 격자(11)가 형성되고, 그 표면에 형성된 반사막(14)을 가지고, 그 위에 보호층(12)이 형성되어 있다.
여기서, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 회절 격자(11)의 격자면(11a) 상의 격자 벡터 방향에 대하여 평행한 1개의 가상적인 직선을 포함하고 법선 벡터에 대하여 평행한 가상적인 기준면에 대하여, 상기 가상적인 직선을 포함하고 상기 기준면과의 이루는 각이 γ로 되어 있는 가상적인 면을 경사면 A로 하고, 또한, 상기 가상적인 직선을 포함하고 기준면과의 이루는 각이 δ로 되어 있는 가상적인 면을 경사면 B로 하고, 상기 경사면 A와 경사면 B는, 회절 격자(11)의 격자면(11a)에 대하여, 동일면 측에 있는 것으로 한다.
그리고, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에 있어서, 상기 경사면 A 상에 배치된 구성 요소를 이 경사면 A에 대하여 수직인 방향으로부터 본 측면도를 도 4에 나타낸다. 또한, 회절 격자(11)에 입사되는 가간섭광 및 이 회절 격자(11)에 의해 회절되는 회절광을 격자 벡터 방향으로부터 본 측면도를 도 5에 나타낸다. 또한, 상기 경사면 B 상에 배치된 구성 요소를 이 경사면 B에 대하여 수직인 방향으로부터 본 측면도를 도 6에 나타낸다.
이 광학식 변위 측정 장치(100)는, 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 가간섭광 La를 출사하는 가간섭 광원(20)과, 간섭한 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 수광하여 간섭 신호를 생성하는 수광 소자(30)와, 가간섭 광원(20)으로부터 출사된 가간섭광 La를 2개의 가간섭광 La1, La2로 분할하여 회절 격자(11)에 조사하고, 또한 회절 격자(11)로부터의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 중첩시켜 수광 소자(30)에 조사하는 조사 수광 광학계(41)를 구비하고 있다.
조사 수광 광학계(41)는, 가간섭 광원(20)으로부터 출사된 가간섭광 La를 회절 격자(11)의 격자면(11a) 상에 결상시키는 제1 결상 소자(21)와, 가간섭 광원(20)으로부터 출사된 가간섭광 La를 편광 방향의 직교하는 2개의 가간섭광 La1, La2로 분리하고, 또한 편광 방향의 직교하는 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 중첩시키는 편광 빔스플리터(43)와, 편광 빔스플리터(43)에 의해 분리된 한쪽 가간섭광 La1을 반사하고 또한 회절 격자(11)로부터의 2회 회절광 Lc1을 반사하는 반사기(23)와, 편광 빔스플리터(43)에 의해 분리된 다른 쪽 가간섭광 La2를 반사하고 또한 2회 회절광 Lc2를 반사하는 반사기(24)와, 편광 빔스플리터(43)에 의해 중첩된 편광 방향의 직교하는 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 수광 소자(30)의 수광면(30a)에 결상시키는 제2 결상 소자(25)와, 편광 빔스플리터(43)에 의해 중첩된 편광 방향이 직교하는 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2에 있어서 동일한 편광 방향의 성분을 인출하는 편광판(46)을 가지고 있다.
이 조사 수광 광학계(41)는, 통과하는 가간섭광 La(La1, La2)의 광로 및 통과하는 2회 회절광 Lc1, Lc2의 광로가, 경사면 A 상에 형성되도록, 각 부재가 배치되어 있다. 그러므로, 가간섭광 La1, La2 및 2회 회절광 Lc1, Lc2는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 격자 벡터 방향으로부터 보았을 때 입사각 및 회절각이 γ로 되어 있다.
가간섭 광원(20)으로부터 출사되는 가간섭광 La는, 조사 수광 광학계(41)의 편광 빔스플리터(43)에 대하여, 편광 방향이 45°만큼 경사져서 입사된다.
편광 빔스플리터(43)는, 입사된 가간섭광 La를, 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 가간섭광 La1, La2로 분할한다. 조사 수광 광학계(41)의 편광 빔스플리터(43)를 투과한 가간섭광 La1은 P 편광의 광이 되고, 반사된 가간섭광 La2는 S 편광의 광이 된다.
또한, 편광 빔스플리터(43)에는, 회절 격자(11)에 의해 2회 회절된, 2회 회절광 Lc1, Lc2가 입사된다. 여기서, 2회 회절광 Lc1은, 원래는 P 편광의 광이지만, 후술하는 반사 광학계(42)에 의해 편광 방향이 90°만큼 회전되어 S 편광의 광이 되어 있다. 마찬가지로, 2회 회절광 Lc2는, 원래는 S 편광의 광이지만, 후술하는 반사 광학계(42)에 의해 편광 방향이 90°만큼 회전되어 P 편광의 광이 되어 있다. 따라서, 이 편광 빔스플리터(43)는, S 편광의 광인 2회 회절광 Lc1을 반사하고, P 편광의 광인 2회 회절광 Lc2를 투과시켜, 이들 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 중첩시킨다.
반사기(23)는, 편광 빔스플리터(43)를 투과한 가간섭광 La1을 반사하여, 회절 격자(11)의 격자면(11a)의 소정의 위치에 조사한다. 또한, 반사기(23)는, 회절 격자(11)로부터의 2회 회절광 Lc1을 반사하여, 편광 빔스플리터(43)에 조사한다.
반사기(24)는, 편광 빔스플리터(43)에 의해 반사된 가간섭광 La2를 반사하여, 회절 격자(11)의 격자면(11a)의 소정의 위치에 조사한다. 또한, 회절 격자(11)로부터의 2회 회절광 Lc2를 반사하여, 편광 빔스플리터(43)에 조사한다.
반사기(23) 및 반사기(24)는, 경사면 A 상에서의 입사각이 θ0로 되도록, 가간섭광 La1 및 가간섭광 La2를, 격자면(11a) 상의 소정의 위치에 조사하고 있다. 그리고, 반사기(23) 및 반사기(24)는, 그 반사면이, 서로 마주보도록 배치되어 있다. 그러므로, 가간섭광 La1과 가간섭광 La2는, 격자 벡터 방향의 입사 방향이, 서로 반대 방향으로 되어 있다. 또한, 반사기(23) 및 반사기(24)는, 격자 벡터 방향으로 소정량 이격한 위치에, 가간섭광 La1과 가간섭광 La2를 입사하고 있다. 가간섭광 La1의 입사점과 가간섭광 La2의 입사점과의 사이의 거리는 l로 되어 있다. l은 0 이상의 임의의 거리이다.
편광판(46)은, 편광 빔스플리터(43)에 의해 중첩된 S 편광의 광인 2회 회절광 Lc1과 P 편광의 광인 2회 회절광 Lc2가 투과한다. 이 편광판(46)은, 2회 회절광 Lc1 및 2회 회절광 Lc2에 대하여, 각각의 광의 편광 방향이 45°인 성분을 투과시켜, 서로 동일한 편광 방향의 광으로 만든다.
수광 소자(30)는, 이 편광판(46)을 투과한 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 수광한다.
이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 이와 같은 가간섭광 La1이 회절 격자(11)에 조사되는 것에 의해 이 가간섭광 La1이 회절하여, 1회 회절광 Lb1이 생긴다. 또한, 이와 같은 가간섭광 La2가 회절 격자(11)에 조사되는 것에 의해 이 가간섭광 La2가 회절하여, 1회 회절광 Lb2가 생긴다. 1회 회절광 Lb1과 1회 회절광 Lb2의 회절각은, 격자 벡터 방향으로부터 보았을 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이, δ로 되어 있다. 즉, 경사면 B를 따라 1회 회절광 Lb1, Lb2가 생긴다. 또한, 1회 회절광 Lb1과 1회 회절광 Lb2의 경사면 B 상에서의 회절각은, θ로 되어 있다. 그리고, 1회 회절광 Lb1과 1회 회절광 Lb2는, 격자 벡터 방향에서의 출사 방향이 서로 반대 방향으로 되어 있다.
또한, 이 광학식 변위 측정 장치(100)는, 도 2 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 반사 광학계(42)를 구비하고 있다.
반사 광학계(42)는, 가간섭광 La1에 의해 생기는 1회 회절광 Lb1를 반사하여 재차 회절 격자(11)에 조사하는 반사기(26)와, 가간섭광 La2에 의해 생기는 1회 회절광 Lb2를 반사하여 재차 회절 격자(11)에 조사하는 반사기(27)와, 가간섭광 La1에 의해 생기는 1회 회절광 Lb1을 평행광으로 하여 상기 반사기(26)에 조사하는 제3 결상 소자(28)와, 가간섭광 La2에 의해 생기는 1회 회절광 Lb2를 평행광으로 하여 상기 반사기(27)에 조사하는 제4 결상 소자(29)와, 1회 회절광 Lb1의 광로 상에 설치된 1/4 파장판(44)과, 1회 회절광 Lb2의 광로 상에 설치된 1/4 파장판(45)을 가지고 있다.
반사 광학계(42)는, 전술한 바와 같이 2개의 1회 회절광 Lb1, Lb2의 격자 벡터 방향으로부터 보았을 때 회절각이 δ로 되어 있으므로, 통과하는 1회 회절광 Lb1, Lb2의 광로가 경사면 B 상에 형성되도록, 각 부재가 배치되어 있다. 또한, 반사 광학계(42)의 반사기(26)와 반사기(27)는, 경사면 B 상에서의 회절각 θ로 회절된 1회 회절광 Lb1, Lb2를 수직으로 반사 가능한 위치에 배치되어 있다.
또한, 1/4 파장판(44)은, 회절 격자(11)로부터 입사하는 P 편광의 광의 1회 회절광 Lb1의 편광 방향에 대하여, 45°만큼 광학축이 경사지게 배치되어 있다. 1회 회절광 Lb1은, 이 1/4 파장판(44)을 2회 통과하여, 회절 격자(11)에 결상된다. 그러므로, P 편광의 광인 1회 회절광 Lb1이 S 편광의 광이 되어, 회절 격자(11)에 조사된다.
또한, 1/4 파장판(45)은, 회절 격자(11)로부터 입사하는 S 편광의 광의 1회 회절광 Lb2의 편광 방향에 대하여, 45°만큼 광학축이 경사지게 배치되어 있다. 1회 회절광 Lb2는, 이 1/4 파장판(45)을 2회 통과하여, 회절 격자(11)에 결상된다. 그러므로, S 편광의 광인 1회 회절광 Lb2가 P 편광의 광이 되어, 회절 격자(11)에 조사된다.
이와 같은 반사 광학계(42)로부터, 1회 회절광 Lb1, Lb2가 회절 격자(11)에 입사된다. 이 1회 회절광 Lb1, Lb2의 격자 벡터로부터 보았을 때의 입사각은, 이 1회 회절광 Lb1, Lb2의 회절각과 동일하게, δ가 된다. 또한, 경사면 B 상에서의 입사각은, 마찬가지로 회절각과 동일하게, θ가 된다.
또한, 이 1회 회절광 Lb1, Lb2가 회절함으로써, 2회 회절광 Lc1, Lc2가 생긴다. 이 2회 회절광 Lc1, Lc2의 격자 벡터 방향으로부터 보았을 때의 회절각은, 가간섭광 La1, La2의 입사각과 동일하게, γ가 된다. 또한, 경사면 A 상의 회절각은, 마찬가지로 가간섭광 La1, La2의 입사각과 동일하게, θ0가 된다.
따라서, 2회 회절광 Lc1, Lc2는, 가간섭광 La1, La2와 동일 광로를 역행하여, 편광 빔스플리터(43)에 입사한다.
또한, 이 광학식 변위 측정 장치(100)는, 수광 소자(30)로부터의 간섭 신호에 기초하여, 회절 격자(11)의 이동 위치를 검출하는, 도시하지 않은 위치 검출부를 구비하고 있다.
이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 가상적인 기준면에 대하여, 소정의 경사각을 가진 경사면 A 상에 조사 수광 광학계(41)를 배치하고, 경사면 B 상에 반사 광학계(42)를 배치함으로써, 가간섭광과 회절광이 형성하는 광로를 분리할 수 있어, 장치의 설계의 자유도가 높아진다. 또한, 격자면(11a)으로부터의 0차 회절광이나 반사광을, 조사 수광 광학계(41)나 반사 광학계(42)에 혼입시키지 않고, 회절광 Lb1, Lb2를 간섭시킬 수 있어, 고정밀도로 위치 측정을 행할 수 있다.
즉, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에 있어서, 가간섭 광원(20)으로부터 출사된 가간섭광 La는 제1 결상 소자(21)를 통과하고, 편광 빔스플리터(43)에서 2개의 가간섭광 La1, La2, 즉, 투과측 P 편광, 반사측 S 편광으로 분할된다. 그리고, 가간섭광으로서 반도체 레이저를 사용한 경우에는 편광 방향을 이 편광 빔스플리터(43)에 대하여 45°만큼 경사지게 하여 입사시키면 된다. 분할된 2개의 가간섭광 La1, La2는 반사기(23, 24)에서 반사되어 반사형의 회절 격자(11)의 격자면(11a) 근방의 대략 동일점에 결상된다. 결상되는 빔 직경은, 그 범위에 회절광을 얻기에 충분한 개수의 격자를 포함할 필요가 있고, 또한, 먼지나 손상의 영향을 회피하기 위해 수십 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 결상 광학계의 개구수 등을 조정함으로써 적절한 빔 직경으로 되어 있다.
회절 격자(11)로의 입사각은 θ0이다. 회절 격자(11)에서 각도 θ로 회절된 각각의 빔은 회절 격자(11)의 격자면(11a) 근방에 초점이 있는 제3 결상 소자(28)를 통과하고, 각각의 빔의 편광 방향에 대하여 45°만큼 광학축이 경사진 1/4 파장판(44)을 통과하고 광축에 대하여 수직으로 놓여진 반사기(26)에서 반사되어 다시 1/4 파장판(44)을 통과하여, P 편광은 S 편광으로, S 편광은 P 편광으로 각각 변환되고, 제3 결상 소자(28)를 통과하여, 회절 격자(11)의 격자면(11a) 근방에 결상된다. 회절 격자(11)에서 회절된 광은 반사기(24)로부터 편광 빔스플리터(43)에 되돌아온 광로를 되돌아온다.
편광 빔스플리터(43)에서는 P 편광은 투과하고, S 편광은 반사되므로, 2개의 가간섭광 La1, La2은 중첩되고 제2 결상 소자(25)로 향한다. 제2 결상 소자(25)를 통과한 광은 편광 방향에 대하여 투과축을 45°만큼 경사지게 한 편광판(46)을 통과하여, 수광 소자(30)의 수광면(30a) 근방에 결상된다.
여기서, 중첩시키는 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2의 강도를 A1, A2, 회절 격자(11)의 격자 벡터 방향으로의 이동량을 x, 초기 위상을 δ라 하면, 수광 소자(30)에 의해 얻어지는 간섭 신호의 강도 I는,
I=A1 2+A2 2+2A1A2cos(4Kx+δ)···식 (3)
K=2π／d(d는 격자 피치)
와 같이 식 (3)에 의해 표시되고, 위치 검출부에서는, 수광 소자(30)로부터의 간섭 신호에 기초하여 회절 격자(11)의 이동 위치를 검출할 수 있다.
이와 같이 구성된 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 가동 부분의 이동에 따라 회절 격자(11)가 격자 벡터 방향으로 이동함으로써, 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2에 위상차가 생긴다. 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 이 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2를 간섭시켜 간섭 신호를 검출하고, 이 간섭 신호로부터 2개의 2회 회절광 Lc1, Lc2의 위상차를 구하여, 회절 격자(11)의 이동 위치를 검출할 수 있다.
이와 같이 가간섭광 La1, La2를 격자면(11a) 근방에 결상하고, 격자면(11a) 근방에 초점이 있는 결상 소자를 통과하고 반사기(26, 27)에서 반사함으로써, 회절 격자(11)가 경사진 경우라도, 1회째의 회절광이 항상 반사기(26, 27)에 수직으로 입사하기 위한 반사광은 항상 입사한 때와 동일한 광로를 역행하게 되어, 2회째의 회절광의 광로가 어긋나지 않기 때문에 간섭 신호의 변동이 일어나지 않는다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 가간섭 광원(20), 수광 소자(30)가 있는 경사면 A는 격자면(11a)에 대하여 각도 γ로 경사져 있고, 반사기(26, 27)가 있는 경사면 B는 각도 δ로 경사져 있다. 좌우의 광로는 대칭이며, 좌우의 광로의 광로 길이가 같아지도록 반사기(26, 27)의 위치는 조정된다.
이와 같이 함으로써 파장 변동에 기인하는 측정 오차의 발생을 방지할 수 있다. 이 조정을 행하기 위해 가간섭 광원(20)은 가간섭 거리가 짧은 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 가간섭 거리가 수백 ㎛의 멀티 모드의 반도체 레이저를 사용하면, 간섭 무늬의 변조 비율(Visibility)이 최대가 되는 곳에 반사기(26, 27)의 위치를 조정하면 광로 길이 차이를 수십 ㎛ 이하로 억제할 수 있다.
이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 1차 회절광을 사용하므로, 각도 θ0, θ, γ, δ는, 다음과 같은 관계식으로 표시된다. θ0, θ는 각각 면 A 상, 면 B 상에서의 값이다.
sinθ=(λ0/dn)-sinθ0
sinγ／sinδ=cosθ／cosθ0
그리고, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서의 광학 스케일(10)은, 전술한 바와 같이, 회절 격자(11)의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 격자 간섭계용의 광학 스케일로서, 회절 격자(11)가 형성된 면을 덮도록 형성된 굴절율 n의 보호층(12)을 가지고, 진공 중의 파장을 λ0, 상기 회절 격자(11)의 피치를 d로 했을 때, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자(11)로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정되어 있으므로, 1회째의 회절에 의해 ±2차 이상의 고차의 회절광이 생기지 않도록 할 수 있다.
그리고, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 회절 격자(11)로부터 생긴 1차 회절광을 다시 동일한 각도로 입사시켜, 다시 회절시켜 생기는 1차 회절광을 이용하므로, 상기 회절 격자(11)로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하는 것만으로는, 전술한 바와 같이 다시 회절할 때, 1차 이외의 회절광을 생기게 할 가능성이 있다.
2번째 회절 시의 회절 차수를 m2, 회절각도를 θ'라 하면
sinθ'=(m2-1)λ0/dn+sinθ0
가 되므로, m2=-1의 -1차광은
sinθ'=-2λ0/dn+sinθ0
가 되고, sinθ0가
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1
을 만족시키고 있는 경우에는, 항상
-2λ0/dn+sinθ0<-1
이 되어 해(解)는 없으며, -1차광이 발생하지 않는다.
마찬가지로 m2=-2의 -2차광은,
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1
을 만족시키고 있는 경우에는, 항상
-3λ0/dn+sinθ0<-1
이 되어 해는 없으며, －2차광이 발생하지 않는다.
또한, m2=+2의 +2차광은,
sinθ'=λ0/dn+sinθ0
가 되고, sinθ0가
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1
을 만족시키고 있는 경우라 하더라도 해가 있는 경우가 있지만, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 상기 회절 격자(11)의 피치 d와 상기 보호층(12)의 굴절율 n이
d<3λ0/2n과, 또한 1-(λ0/dn)<sinθ0<(2λ0/dn)-1
을 만족시키도록, 상기 회절 격자(11)의 피치 d를 설정한 것에 의해, +2차광의 발생도 억제할 수 있다. 이 경우, 1회째의 회절에서만 2차 이상의 회절광을 생기게 하지 않는 조건에 비해 d 및 θ0의 범위가 좁아지지만, 2회째의 회절에서의 고차광의 영향이 큰 경우에는 이 조건을 사용하는 것이 바람직하다. 어느 조건을 사용할 것인가는, 설계 시의 배치 상의 제약과 고차광의 영향을 어느 정도까지 허용할 수 있는지에 따라 달라진다. 또한, 일본 특허출원 공개번호 2000-18917호 공보에 개시되어 있는 예와 같이 1회째의 회절광만을 사용하는 경우에는 1회째의 회절에서만 2차 이상의 회절광을 생기지 않는 조건이면 충분하다.
즉, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 굴절율 n의 보호층(12)에서 격자면(11a)이 덮힌 회절 격자(11)의 피치를 d, 조사되는 가간섭광의 진공 중의 파장을 λ0로 했을 때, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자(11)로의 가간섭광의 입사각 θ0를
|sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 1차 회절광을 위치 검출에 사용함으로써, 위치 검출에 필요없는 고차의 회절광의 발생을 방지할 수 있고, 상기 회절 격자(11)가 형성된 격자면(11a)을 덮도록 형성된 굴절율 n의 보호층(12)의 경계면에서의 반사에 의한 불필요한 회절광으로부터의 미광의 발생을 방지하여, 위치 검출 광로에 미광이 혼입되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 이 광학식 변위 측정 장치(100)에서는, 상기 회절 격자(11)의 피치 d와 상기 보호층(12)의 굴절율 n은,
d<3λ0/2n의 식을 만족시키고, 입사각 θ0를
1-(λ0/dn)<sinθ0<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 상기 회절 격자(11)에 의한 1차 회절광이 반사 광학계(42)를 통하여 되돌려져 재입사되고, 상기 회절 격자(11)에서 재회절시킨 1차 회절광을 위치 검출에 사용함으로써, 재입사된 1차 회절광에 대해서도, 위치 검출에 필요없는 고차의 회절광의 발생을 방지할 수 있어, 상기 굴절율 n의 보호층(12)의 경계면에서의 반사에 의한 불필요한 회절광으로부터의 미광의 발생을 방지하여, 위치 검출광에 미광이 혼입되는 것을 예방할 수 있다.
그리고, 상기 광학식 변위 측정 장치(100)는, 반사형의 회절 격자(11)가 형성된 광학 스케일(10)을 구비하는 것이지만, 반사막이 없는 투과형 스케일을 사이에 두고 조사 수광 광학계(41)와 반사 광학계(42)를 대칭으로 배치한 구조로 해도 된다.
즉, 이상 설명한 본 발명의 실시예에서는, 격자면(11a)의 표면에 형성된 반사막(14)을 가지고, 그 위에 보호층(12)이 형성되어 있는 반사형의 광학 스케일(10)을 구비하는 광학식 변위 측정 장치(100)에 본 발명을 적용하였으나, 본 발명은, 반사형 스케일 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니며, 반사막이 없는 투과형 스케일을 구비하는 광학식 변위 측정 장치에 적용할 수도 있다.
또한, 상기 광학식 변위 측정 장치(100)에 구비된 광학 스케일(10)은, 격자 벡터 방향으로 장척(長尺)의 직선 스케일이지만, 본 발명은, 직선 스케일을 구비하는 광학식 변위 측정 장치(100) 만으로 한정되는 것은 아니며, 로터리형의 광학 스케일을 구비하는 광학식 변위 측정 장치에 적용해도 된다.
10: 광학 스케일 11: 회절 격자
11a: 격자면 12: 보호층
13: 베이스 기재 14: 반사막

Claims (2)

  1. 회절 격자(diffraction grating)의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 위치 검출 장치로서,
    상기 회절 격자가 형성된 면을 덮도록 형성된, 굴절율 n의 보호층을 가지고,
    진공 중의 파장을 λ0, 상기 회절 격자의 피치를 d로 할 때, d<2λ0/n으로 하고, 상기 회절 격자로의 가간섭광(Coherent Light)의 입사각 θ0를
    |sinθ0|<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고, 1차 회절광을 위치 검출에 사용하는, 위치 검출 장치.
  2. 회절 격자의 이동에 의한 광의 위상 변화를 검출하여 위치 검출을 행하는 위치 검출 장치로서,
    상기 회절 격자가 형성된 면을 덮도록 형성된, 굴절율 n의 보호층을 가지고,
    진공 중의 파장을 λ0, 상기 회절 격자의 피치를 d로 할 때, d<3λ0/2n으로 하고, 상기 회절 격자로의 가간섭광의 입사각 θ0를
    1-(λ0/dn)<sinθ0<(2λ0/dn)-1의 식을 만족시키는 각도로 설정하고,
    상기 회절 격자에 의한 1차 회절광이 반사 광학계를 통하여 되돌려져서 재입사되고, 상기 회절 격자에서 재회절시킨 1차 회절광을 위치 검출에 사용하는, 위치 검출 장치.
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