JP2006030115A

JP2006030115A - リニアエンコーダ

Info

Publication number: JP2006030115A
Application number: JP2004212624A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Yamamoto; 規彰山元
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】高精度なリニアエンコーダを得る。
【解決手段】光源１から出射された光はコリメータレンズ２で平行光に変換され、音響光学素子３に入射する。音響光学素子３は、発振器７の出力する基本周波数信号によって駆動されており、入射した光を０次光E₀と１次光E₊₁に分岐し、反射型回折格子板４に出射する。そして、音響光学素子３から入射された０次光E₀は反射型回折格子板４で回折され、その-１次光E₀'がフォトディテクタ６に入射する。また、音響光学素子３から入射された１次光E₊₁は反射型回折格子板４で回折され、その+１次光E₊₁'がフォトディテクタ６に入射する。そして、フォトディテクタ６が検出したE₀'とE₊₁'とのビート信号に転化されたE₀'とE₊₁'との位相差より、被計測物１００の変位を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被計測物の平行移動による変位を計測するリニアエンコーダに関するものである。

高精度のリニアエンコーダとしては、レーザ干渉計や、渦電流センサ、静電容量センサなどが知られており、これらは、半導体露光装置などの半導体製造装置においてワークを保持するステージの座標検出などに用いられている（たとえば、特許文献１）。
特開2003-022948号公報

さて、半導体装置の、さらなる微細化の要求に伴い、半導体露光装置などの半導体製造装置においてワークを保持するステージの座標検出などに用いられるリニアエンコーダにも、さらなる精度の向上が望まれている。
そこで、本発明は、より高精度に被計測物の平行移動による変位を計測することのできるリニアエンコーダを提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、被計測物の平行移動による変位を計測するリニアエンコーダとして、被計測物に固定された、変位を測定する方向に格子が配列された回折格子と、光源と、光源から出射された第１の光を、第２の光と第１の光に周波数シフトを与えた第３の光とに分岐し、前記回折格子に向かって出射する分岐手段と、光検出手段と、前記回折格子の前記第２の光のｎ（ただし、ｎは整数）次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ（但し、ｍはｎと異なる整数）次の回折光を前記光検出手段に結合する結合手段と、前記光検出手段で観測される、前記第２の光のｎ次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ次の回折光の干渉によるビート信号の位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段が検出した前記ビート信号の位相より前記被計測物の変位を算出する変位算出手段とを備えたリニアエンコーダを提供する。

このようなリニアエンコーダによれば、被計測物の変位に伴って生じる回折格子の格子配列方向の変位に伴って生じる前記ｎ次の回折光と前記ｍ次の回折光の異なる位相変化の差をヘテロダイン検波により検出することができる。ここで、この位相変化の差は被計測物の変位に依存するので、このようにすることにより精度のよい変位計測が可能となる。

ここで、以上のリニアエンコーダでは、前記ｎは+１であって前記ｍは-１とするか、または、前記ｎは-１であって前記ｍは+１とすることが、ビート信号の信号強度、及び、被計測物の変位に対するビート信号の位相変化を大きく確保する上で好ましい。
なお、以上のリニアエンコーダにおいて、前記分岐手段は、基本周波数信号を出力する発振器と音響光学素子とを含むものであってよく、この場合には、前記音響光学素子が、前記第１の光の０次光を前記第２の光として出射し、前記第１の光の前記基本周波数信号で周波数シフトした１次の回折光を前記第３の光として出射し、前記位相検波手段が、前記発振器の出力する基本周波数信号を基準に、前記ビート信号の位相を検出するようにリニアエンコーダを構成する。

また、前記課題達成のために、本発明は、被計測物の平行移動による変位を計測するリニアエンコーダとして、被計測物に固定された、変位を測定する方向に格子が配列された回折格子と、光源と、光源から出射された第１の光を、第２の光と第３の光に分岐し、前記回折格子に向かって出射する分岐手段と、光検出手段と、前記回折格子の前記第２の光のｎ（ただし、ｎは整数）次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ（但し、ｍはｎと異なる整数）次の回折光を前記光検出手段に結合する結合手段と、
前記光検出手段で観測される、前記第２の光のｎ次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ次の回折光の位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相検出手段が検出した位相差より前記被計測物の変位を算出する変位算出手段とを備えたリニアエンコーダを提供する。

このようなリニアエンコーダによれば、被計測物の変位に伴って生じる回折格子の格子配列方向の変位に伴って前記ｎ次の回折光と前記ｍ次の回折光に生じる異なる位相変化を利用して、精度のよい変位計測を行うことができるようになる。

以上のように、本発明によれば、より高精度に被計測物の平行移動による変位を計測することのできるリニアエンコーダを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るリニアエンコーダの構成を示す。
本リニアエンコーダは、半導体露光装置においてワークを保持するステージなどである被計測物１００の、図１の紙面左右方向の平行移動による変位を計測するものである。
さて、図示するようにリニアエンコーダは、レーザダイオードなどの光源１、コリメータレンズ２、音響光学素子３、被計測物１００に固定された反射型回折格子板４、透過型回折格子板５、フォトディテクタ６、発振器７、位相検波器８、変位算出装置９とを備えている。

このような構成において、光源１から出射された光はコリメータレンズ２で平行光に変換され、音響光学素子３に入射する。音響光学素子３は、発振器７の出力する基本周波数信号によって駆動されており、入射した光を０次光E₀と１次光E₊₁に分岐し、反射型回折格子板４に出射する。そして、音響光学素子３から出射された０次光E₀は反射型回折格子板４で回折され、その-１次光E₀'がフォトディテクタ６に入射する。また、音響光学素子３から出射された１次光E₊₁は反射型回折格子板４で回折され、その+１次光E₊₁'がフォトディテクタ６に入射する。なお、フォトディテクタ６は、この音響光学素子３から出射された０次光E₀の反射型回折格子板４による-１次光E₀'と、音響光学素子３から出射する１次光E₊₁の反射型回折格子板４による+１次光E₊₁'が交わる場所に配置されている。

さて、フォトディテクタ６は、入射するE₀'とE₊₁'との干渉によるビート信号を検出し、検出されたビート信号は位相検波器８によって位相検波され、その位相が求められる。そして、変位算出装置９は、位相検波器８が求めた位相より、被計測物１００の変位を算出する。

以下、このようなリニアエンコーダにおいて、被計測物１００の変位を算出する原理について説明する。
いま、図２aに示すように、格子間隔ｄの反射型回折格子板の板面に垂直に、式１のベクトルE_iで示す光平面波入射した場合を考える。

但し、E_i0は、光平面波E_iの振幅、ベクトルe₀は光の偏光方向の単位ベクトル、ωは光角周波数である。また、ベクトルk_iは波数ベクトルであり、光の波長をλとして、その大きさは式２で示される。また、その方向は、光平面波の進行方向となる。

この場合、この光平面波ベクトルE_iは_、反射型回折格子板で回折され、０次光、式３のベクトルE₀₊₁で示す+１次光、式４のベクトルE_0-1で示す-１次光に変換される。

ここで、E_i0+1及びE_i0-1は±1次光の振幅、φ₀は光平面波E_iが回折される際に受ける位相変化である。また、ベクトルk_i、ベクトルk₊₁、ベクトルk_-1の間には、式５で示す関係がある。また、ベクトルk_i、ベクトルk₊₁、ベクトルk_-1は同一平面内にある。

ここで、回折格子の強め合い条件に従って反射型回折格子板が格子の周期を刻む方向への変位ｄに対する±1次光E_0-1、E₀₊₁の位相の変化は１周期２πとなるので、図２ｂに示すように反射型回折格子板４が格子の周期を刻む方向にｘだけ変位すると±1次光E_0-1、E₀₊₁の位相は、当該変位ｘによる光路長Δの変化に伴って±２πｘ／ｄ変化し、式６、式７で表されるものとなる。

ここで、反射型回折格子板のｘの変位に対して、+1次光は位相が２πｘ／ｄ進み、-1次光は位相が２πｘ／ｄ遅れる。すなわち、反射型回折格子板のｘの変位に対して、+1次光と-1次光の位相変化の方向は逆となり、その位相差は４πｘ／ｄとなる。
さて、以上を踏まえて、図１の動作を説明する。
まず光が式１のベクトルで表現されるような光が、光源１から音響光学素子３に入力する。いま、音響光学素子３に発振器７から入力する基本周波数信号の音響角周波数がω_rfであるとすると、音響光学素子３から出射される０次光E₀は式８のベクトルにより示され、音響光学素子３から出射される１次光E₊₁は、音響光学素子３において基本周波数信号によるω_rfの周波数シフトを受け式９のベクトルとして示される。

但し、０次光E₀の波数ベクトルk_iと、１次光E₊₁の波数ベクトルk'_iの大きさは、ｃを光速として式１０によって示される。また、０次光E₀の波数ベクトルk_iと、+１次光E₊₁の波数ベクトルk'_iとは、ブラック解析の条件より、ｖを音響光学素子３中の音速として、式１１、１２によって示される関係が満たされる。

次に、音響光学素子３から出射された０次光E₀の反射型回折格子板４による-１次光E₀'は式１３によって表され、音響光学素子３から出射する+１次光E₊₁の反射型回折格子板４による+１次光E₊₁'は式１４によって表される。また、-１次光E₀'の波数ベクトルk_i1と、+１次光E₊₁'の波数ベクトルk'_i1とは、それぞれ、式５の関係を満たすものである。

そして、この状態から反射型回折格子板４が被計測物１００の変位に伴い格子の周期を刻む方向にｘ移動すると、図２ｂに示した場合と同様に位相が変化し、反射型回折格子板４の格子間隔をｄとして、音響光学素子３から出射された０次光E₀の反射型回折格子板４による-１次光E₀'は式１５によって表されるものに変化し、音響光学素子３から出射する１次光E₊₁の反射型回折格子板４による+１次光E₊₁'は式１６によって表されるものに変化する。

ここで、この二つの光波の波数ベクトルの大きさは、式１０より略同じであるので、適当な格子ピッチを持つ透過型回折格子板５でフォトディテクタ６に結合することができる。
さて、-１次光E₀'が透過型回折格子板５で回折された光波E₀”は適当な位相因子φ_１を用いて簡便のために振幅を１とすると式１７で示すことができ、+１次光E₊₁が透過型回折格子板５で回折された光波E₊₁”は適当な位相因子φ₂を用いて簡便のために振幅を１とすると式１８で示すことができる。

そして、この二つの光波の、干渉によるビート信号がフォトディテクタ６で検出され、式１９で示す電気信号Vに変換される。

そして、この電気信号は位相検波器８によって、基本周波数信号を用いて位相検波されビート信号の位相が求められる。また、変位算出装置９において位相検波器８において求められた位相より、式１９の位相項に従って変位ｘを算出する。
ここで、位相検波器８としては、たとえば、基本周波数信号とビート信号を乗算してI信号を生成すると共に、基本周波数信号の位相を９０度移相した信号とビート信号を乗算してＱ信号生成し、Ｑ／Ｉのコタンジェントとしてビート信号の位相を求める位相検波器８などを用いることができる。なお、基本周波数信号とビート信号を乗算したｘ信号と、基本周波数信号とビート信号の位相を９０度移相した信号を乗算したｙ信号を用いても同様に位相を求めることができる。

また、変位算出装置９には、予め計算によりまたは実験的に被計測物１００の基準位置に対して求めたΦ１とΦ２が登録されており、変位算出装置９は、このΦ１とΦ２を用いて変位ｘを算出する。また、位相の変化から変位ｘの変化、すなわち、被計測物１００の速度を算出したり、この速度の積分を被計測物１００の変位と算出したりすることもできる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上では、被計測物１００に反射型回折格子板４を固定して用いたが、これはリニアエンコーダを適用する対象に応じて、反射型回折格子板４に代えて透過型の回折格子板を被計測物１００に固定して用いるようにすることもできる。また、以上では、音響光学素子３で分岐した二つの光のうちの一方の反射型回折格子板４による+１次光と、他方の光の-１次光の干渉から、被測定物の変位を測定したが、これは、音響光学素子３で分岐した二つの光のうちの一方の反射型回折格子板４によるｎ（ｎは任意の整数）次光と、他方の光のｍ（ｍは任意の整数であって、ｍ≠ｎ）次光の干渉から、被測定物の変位を測定するようにすることもできる。

以上のように本実施形態によれば、被計測物１００に固定した回折格子の変位を、当該変位によって回折光に生じる位相の変化を、ヘテロダイン検波することにより測定する。よって、精度の良い変位の測定が可能となる。

本発明の実施形態に係るリニアエンコーダの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るリニアエンコーダにおける反射型解析格子板の変移による位相変化を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…コリメータレンズ、３…音響光学素子、４…反射型回折格子板、５…透過型回折格子板、６…フォトディテクタ、７…発振器、８…位相検波器、９…変位算出装置、１００…被計測物。

Claims

被計測物の平行移動による変位を計測するリニアエンコーダであって、
被計測物に固定された、変位を測定する方向に格子が配列された回折格子と、
光源と、
光源から出射された第１の光を、第２の光と第１の光に周波数シフトを与えた第３の光とに分岐し、前記回折格子に向かって出射する分岐手段と、
光検出手段と、
前記回折格子の前記第２の光のｎ（ただし、ｎは整数）次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ（但し、ｍはｎと異なる整数）次の回折光を前記光検出手段に結合する結合手段と、
前記光検出手段で観測される、前記第２の光のｎ次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ次の回折光の干渉によるビート信号の位相を検出する位相検出手段と、
前記位相検出手段が検出した前記ビート信号の位相より前記被計測物の変位を算出する変位算出手段とを有することを特徴とするリニアエンコーダ。
請求項１記載のリニアエンコーダであって、
前記ｎは+１であって前記ｍは-１、または、前記ｎは-１であって前記ｍは+１であることを特徴とするリニアエンコーダ。
請求項１または２記載のリニアエンコーダであって、
前記分岐手段は、
基本周波数信号を出力する発振器と音響光学素子とを含み、
前記音響光学素子は、前記第１の光の０次光を前記第２の光として出射し、前記第１の光の前記基本周波数信号で周波数シフトした１次の回折光を前記第３の光として出射し、
前記位相検波手段は、前記発振器の出力する基本周波数信号を基準に、前記ビート信号の位相を検出することを特徴とするリニアエンコーダ。
被計測物の平行移動による変位を計測するリニアエンコーダであって、
被計測物に固定された、変位を測定する方向に格子が配列された回折格子と、
光源と、
光源から出射された第１の光を、第２の光と第３の光とに分岐し、前記回折格子に向かって出射する分岐手段と、
光検出手段と、
前記回折格子の前記第２の光のｎ（ただし、ｎは整数）次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ（但し、ｍはｎと異なる整数）次の回折光を前記光検出手段に結合する結合手段と、
前記光検出手段で観測される、前記第２の光のｎ次の回折光と、前記回折格子の前記第３の光のｍ次の回折光の位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相検出手段が検出した位相差より前記被計測物の変位を算出する変位算出手段とを有することを特徴とするリニアエンコーダ。