レーザ干渉変位測定装置およびこの装置を用いた平面モータ
【課題】ターゲットミラーの傾きにより生じるレーザ光のオーバーラップの影響を緩和して干渉計光軸調整範囲を広げることにより汎用的な製品を提供する。
【解決手段】レーザ光を分光し、分光したレーザ光の一方をターゲットミラーで反射させて前記分光した他方のレーザ光と干渉させ、干渉により生じた干渉縞を光検出器により電気信号に変換してターゲットミラーの変位を測定するレーザ干渉変位測定装置において、前記レーザ光としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いた。
【解決手段】レーザ光を分光し、分光したレーザ光の一方をターゲットミラーで反射させて前記分光した他方のレーザ光と干渉させ、干渉により生じた干渉縞を光検出器により電気信号に変換してターゲットミラーの変位を測定するレーザ干渉変位測定装置において、前記レーザ光としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ干渉変位測定装置に関し、例えば平面モータ用干渉計や半導体露光装置粗動ステージの位置決め干渉計等に用いて好適なレーザ干渉変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５はレーザ光を用いたダブルパルス干渉計の光学系を示す要部構成図である。
図５において、光ファイバー等から出射したレーザ光ａはコリメータレンズ１、偏光板２を経由して第１ハーフミラー３に入射し、測長光ｂと参照光ｃに分岐する。
【０００３】
第１ハーフミラー３を透過した参照光ｃは直角全反射ミラー４に入射するが、この直角全反射ミラー４は干渉縞を生成する為に必要な所定の傾斜を持たせてある。
第１ハーフミラー３で反射した測長光ｂはさらに第２ハーフミラー５を透過し、λ/４波長板７で位相を回転されて第１パスｄとして出射する。
【０００４】
第１パスｄとして出射したレーザ光はターゲットミラー６で反射され、再度λ/４波長板７を透過し第２ハーフミラー５で反射する。反射したレーザ光はハコーナキューブ８に入射する。コーナキューブ８で折り返されたレーザ光は再度ハーフミラー５で反射して
λ/４波長板７を通って第２パスｅとして出射され、ターゲットミラー６で反射する。
【０００５】
ターゲットミラー６で反射したレーザ光は、再度λ/４波長板７で位相回転され第１、第２ハーフミラー５→３を透過し、光軸に対して所定の傾斜を持たせた参照光ｃと干渉して干渉縞を生成する。その干渉縞の明暗コントラストをＰＤＡ（フォトダイオード・アレイ）素子９にて電気信号に変換し、ターゲットミラー６の移動による位相の変動をカウントすることにより距離を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１９８３１７号公報
【特許文献２】特開２０００−１８９１８号公報
【特許文献３】特開２００７−８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＰＤＡ素子９には参照光ｃと測長光ｂの二つのレーザ光が干渉した光が入力する。レーザ光のパワー分布は１／e^2のガウシャン分布となっている為、図６（ａ）のようなプロファイルになる。
【０００８】
図６（ｂ）は実線で示す参照光ｃと点線で示す測長光ｂがオーバーラップした状態を示す模式図である。図６（ｂ）に示すように、それぞれの分布中心が重なった時に信号強度が最大となるが、分布中心にシフトｆがある場合レーザ光のオーバーラップ（合波パワー）した部分の信号強度ｇは分布中心にシフトがない理想状態(最大値)よりも低下することになる。
【０００９】
また、例えば第１パスｄの光軸調整に誤差がある状態でターゲットミラー６を移動させた場合、移動前後で測長光ｂと参照光ｃのオーバーラップにシフトが生じるのでレーザ光強度は1／e^2のプロファイルに沿って低下することになる。
【００１０】
このようにレーザ光オーバーラップを理想状態に近づけて安定したレーザ光強度・信号強度を得る為には、現状では非常にシビアな光軸調整、干渉計光学部品組立が必要となり、製造上の調整工数、歩留まり及び測長機器として装置内に組み込む際の取り扱いに注意を払わなければならないという課題があった。
【００１１】
従って本発明は、
レーザ光源としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いることにより、ターゲットミラーの傾きにより生じるレーザ光のオーバーラップの影響を緩和して干渉計光軸調整範囲を広げることにより汎用的な製品を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のレーザ干渉変位測定装置の発明においては、
レーザ光を分光し、分光したレーザ光の一方をターゲットミラーで反射させ、前記分光した他方のレーザ光と干渉させて生じた干渉縞を光検出器により電気信号に変換して変位を測定するレーザ干渉変位測定装置において、前記レーザ光としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の平面モータの発明においては、
平面モータのスライダに前記レーザ干渉変位測定装置を搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１によれば、光源としてパワー分布がフラットに近いプロファイルのトップハットレーザを使用し、参照光と測長光のオーバーラップのシフトによる干渉強度の低下を低減させたので、ターゲットミラーの傾斜許容値が広くなってもＰＤＡへの干渉信号強度が変化しないので、より安定した干渉計を提供することが出来る。
【００１５】
請求項２によれば、スライダ内に本発明のレーザ干渉変位測定装置を組み込むことにより、製造上の調整工数、歩留まり及び測長機器として組み込む際の取り扱いが簡単な平面モータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のレーザ干渉変位測定装置で使用するトップハットレーザの実施形態の一例を示す模式図である。
【図２】本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した実施例を示す構成図である。
【図３】本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した他の実施例を示す構成図である。
【図４】図３に示す平面モータ内のレーザ干渉変位測定装置の配置例を示す構成図である。
【図５】レーザ干渉変位測定装置の一般的な構成を示す図である。
【図６】レーザ光のガウシアン分布状態と２つのレーザ光がシフトしてオーバラップした状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１（ａ，ｂ）は本発明に適用するトップハットレーザの模式図を示すもので、図１（ａ）はトップハットレーザのパワー分布を示している。図１（ａ）に示すように従来のガウシアン分布とは異なり頂部が平らな面となっている。
【００１８】
このようなトップハットレーザの生成方法は公知の技術であり、例えば特開２００７−８９７に記載されている。
図１（ｂ）は図５に示す従来のレーザ干渉変位測定装置に図１（ａ）に示すトップハットレーザを適用し、レーザをオーバラップさせた状態を示すもので、ｃ’は参照光のパワー分布、ｂ'は測長光のパワー分布を示している。
図１（ｂ）に示すようにそれぞれのレーザ光の中心がｆだけシフトしたとしても合波パワーの低下は生じない。
【００１９】
図２は本発明の干渉変位測定装置を平面モータに適用した実施例を示す構成図である。
図２において、２０は水平に固定配置された矩形状の格子プラテンであり、図では簡略するが磁性体の平坦面にＸ方向及びＹ方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。
２１ａ，２１ｂは、格子プラテン上面をＸ方向及びＹ方向にスライドして位置決め制御される２個のスライダであり、これらの上部にワーク及び位置決めの対象となるターゲット（図示せず）が搭載される。図では省略するが格子プラテン２０に対向する裏面にノズルが設けられていて圧縮空気を噴射させることでスライダ２０を格子プラテン１０上に浮揚させる。
【００２０】
２２は本発明のレーザ干渉変位測定装置であり、矩形状の格子プラテン２０の４辺に近接し所定の距離を隔てて４個づつ、計１６個配置されている。
２３は、格子プラテン２０の一端部にＸ軸およびＹ軸に直交して固定配置された所定高さを有する全反射ミラーである。この全反射ミラーは図５におけるターゲットミラーとして機能する。
【００２１】
このような構成において、レーザ光として図１に示すトップハットレーザを適用したレーザ干渉変位測定装置を用いれば全反射ミラー２３の直角度や平行度に多少の変位があったとしても合波パワーの低下が生じることがない。
【００２２】
図３は本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した他の実施例を示す構成図である。
この例では格子プラテン２０上にスライダ２１ｃを一つ配置し、矩形状の格子プラテン２０の２辺に近接し直角に２つの全反射ミラーが配置されている。そして、Ｘ軸に対して所定の距離を隔てて２つのレーザ干渉変位測定装置を配置し、Ｙ軸に対して１つのレーザ干渉変位測定装置を配置している。
このような構成においても全反射ミラー２３ａの直角度や平行度に多少の変位があったとしても合波パワーの低下が生じることがない。
【００２３】
図３は本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した他の実施例を示す構成図である。
この例では格子プラテン２０上にスライダ２１ｃを一個配置し、矩形状の格子プラテン２０の２辺に近接し直角に２つの全反射ミラー２３ａが配置されている。そして、Ｘ軸に対して所定の距離を隔てて２つのレーザ干渉変位測定装置を配置し、Ｙ軸に対して１つのレーザ干渉変位測定装置を配置している。
このような構成においても全反射ミラー２３ａの直角度や平行度に多少の変位があったとしても合波パワーの低下が生じることがない。
【００２４】
図４は図３に示す平面モータにおけるレーザ干渉変位測定装置の配置例とトップハットレーザからの入射方向を示す構成図である。レーザ干渉変位測定装置の構成は図５と同様なのでここでの説明は省略する。
【００２５】
図４において、４０ａ〜４０ｃは第１〜第３レーザ干渉変位測定装置であり、第１レーザ干渉変位測定装置４０ａからはＹ軸方向に向かってレーザ光が出射され、所定の距離はなれて配置された第２、第３レーザ干渉変位測定装置４０ｂ、４０ｃからはＸ軸方向に向かってレーザ光が出射される。
【００２６】
トップハットレーザはハーフミラー３０ａに入射し、透過するＩ方向と反射するＨ方向に分割される。透過したＩ方向のレーザ光は第１レーザ干渉変位測定装置４０ａに入射し、反射したＨ方向のレーザ光はハーフミラー３０ｂに入射して透過するＪ方向と反射するＫ方向に分割される。
【００２７】
そして、透過したＪ方向のレーザ光は第３レーザ干渉変位測定装置４０ｃに入射し、反射したＫ方向のレーザ光は第２レーザ干渉変位測定装置４０ｂに入射する。
このような構成によれば、トップハットレーザは一つで３個のレーザ干渉変位測定装置を機能させることができる。
【００２８】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【符号の説明】
【００２９】
１ コリメータレンズ
２ 偏光板
３、５,３０ ハーフミラー
４ 全反射直角ミラー
７ λ／４波長板
８ コーナキューブ
９ ＰＤＡ
２０ プラテン
２１ スライダ
２２、４０ レーザ干渉変位測定装置
２３ 全反射ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ干渉変位測定装置に関し、例えば平面モータ用干渉計や半導体露光装置粗動ステージの位置決め干渉計等に用いて好適なレーザ干渉変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５はレーザ光を用いたダブルパルス干渉計の光学系を示す要部構成図である。
図５において、光ファイバー等から出射したレーザ光ａはコリメータレンズ１、偏光板２を経由して第１ハーフミラー３に入射し、測長光ｂと参照光ｃに分岐する。
【０００３】
第１ハーフミラー３を透過した参照光ｃは直角全反射ミラー４に入射するが、この直角全反射ミラー４は干渉縞を生成する為に必要な所定の傾斜を持たせてある。
第１ハーフミラー３で反射した測長光ｂはさらに第２ハーフミラー５を透過し、λ/４波長板７で位相を回転されて第１パスｄとして出射する。
【０００４】
第１パスｄとして出射したレーザ光はターゲットミラー６で反射され、再度λ/４波長板７を透過し第２ハーフミラー５で反射する。反射したレーザ光はハコーナキューブ８に入射する。コーナキューブ８で折り返されたレーザ光は再度ハーフミラー５で反射して
λ/４波長板７を通って第２パスｅとして出射され、ターゲットミラー６で反射する。
【０００５】
ターゲットミラー６で反射したレーザ光は、再度λ/４波長板７で位相回転され第１、第２ハーフミラー５→３を透過し、光軸に対して所定の傾斜を持たせた参照光ｃと干渉して干渉縞を生成する。その干渉縞の明暗コントラストをＰＤＡ（フォトダイオード・アレイ）素子９にて電気信号に変換し、ターゲットミラー６の移動による位相の変動をカウントすることにより距離を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１９８３１７号公報
【特許文献２】特開２０００−１８９１８号公報
【特許文献３】特開２００７−８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＰＤＡ素子９には参照光ｃと測長光ｂの二つのレーザ光が干渉した光が入力する。レーザ光のパワー分布は１／e^2のガウシャン分布となっている為、図６（ａ）のようなプロファイルになる。
【０００８】
図６（ｂ）は実線で示す参照光ｃと点線で示す測長光ｂがオーバーラップした状態を示す模式図である。図６（ｂ）に示すように、それぞれの分布中心が重なった時に信号強度が最大となるが、分布中心にシフトｆがある場合レーザ光のオーバーラップ（合波パワー）した部分の信号強度ｇは分布中心にシフトがない理想状態(最大値)よりも低下することになる。
【０００９】
また、例えば第１パスｄの光軸調整に誤差がある状態でターゲットミラー６を移動させた場合、移動前後で測長光ｂと参照光ｃのオーバーラップにシフトが生じるのでレーザ光強度は1／e^2のプロファイルに沿って低下することになる。
【００１０】
このようにレーザ光オーバーラップを理想状態に近づけて安定したレーザ光強度・信号強度を得る為には、現状では非常にシビアな光軸調整、干渉計光学部品組立が必要となり、製造上の調整工数、歩留まり及び測長機器として装置内に組み込む際の取り扱いに注意を払わなければならないという課題があった。
【００１１】
従って本発明は、
レーザ光源としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いることにより、ターゲットミラーの傾きにより生じるレーザ光のオーバーラップの影響を緩和して干渉計光軸調整範囲を広げることにより汎用的な製品を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のレーザ干渉変位測定装置の発明においては、
レーザ光を分光し、分光したレーザ光の一方をターゲットミラーで反射させ、前記分光した他方のレーザ光と干渉させて生じた干渉縞を光検出器により電気信号に変換して変位を測定するレーザ干渉変位測定装置において、前記レーザ光としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の平面モータの発明においては、
平面モータのスライダに前記レーザ干渉変位測定装置を搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１によれば、光源としてパワー分布がフラットに近いプロファイルのトップハットレーザを使用し、参照光と測長光のオーバーラップのシフトによる干渉強度の低下を低減させたので、ターゲットミラーの傾斜許容値が広くなってもＰＤＡへの干渉信号強度が変化しないので、より安定した干渉計を提供することが出来る。
【００１５】
請求項２によれば、スライダ内に本発明のレーザ干渉変位測定装置を組み込むことにより、製造上の調整工数、歩留まり及び測長機器として組み込む際の取り扱いが簡単な平面モータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のレーザ干渉変位測定装置で使用するトップハットレーザの実施形態の一例を示す模式図である。
【図２】本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した実施例を示す構成図である。
【図３】本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した他の実施例を示す構成図である。
【図４】図３に示す平面モータ内のレーザ干渉変位測定装置の配置例を示す構成図である。
【図５】レーザ干渉変位測定装置の一般的な構成を示す図である。
【図６】レーザ光のガウシアン分布状態と２つのレーザ光がシフトしてオーバラップした状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１（ａ，ｂ）は本発明に適用するトップハットレーザの模式図を示すもので、図１（ａ）はトップハットレーザのパワー分布を示している。図１（ａ）に示すように従来のガウシアン分布とは異なり頂部が平らな面となっている。
【００１８】
このようなトップハットレーザの生成方法は公知の技術であり、例えば特開２００７−８９７に記載されている。
図１（ｂ）は図５に示す従来のレーザ干渉変位測定装置に図１（ａ）に示すトップハットレーザを適用し、レーザをオーバラップさせた状態を示すもので、ｃ’は参照光のパワー分布、ｂ'は測長光のパワー分布を示している。
図１（ｂ）に示すようにそれぞれのレーザ光の中心がｆだけシフトしたとしても合波パワーの低下は生じない。
【００１９】
図２は本発明の干渉変位測定装置を平面モータに適用した実施例を示す構成図である。
図２において、２０は水平に固定配置された矩形状の格子プラテンであり、図では簡略するが磁性体の平坦面にＸ方向及びＹ方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。
２１ａ，２１ｂは、格子プラテン上面をＸ方向及びＹ方向にスライドして位置決め制御される２個のスライダであり、これらの上部にワーク及び位置決めの対象となるターゲット（図示せず）が搭載される。図では省略するが格子プラテン２０に対向する裏面にノズルが設けられていて圧縮空気を噴射させることでスライダ２０を格子プラテン１０上に浮揚させる。
【００２０】
２２は本発明のレーザ干渉変位測定装置であり、矩形状の格子プラテン２０の４辺に近接し所定の距離を隔てて４個づつ、計１６個配置されている。
２３は、格子プラテン２０の一端部にＸ軸およびＹ軸に直交して固定配置された所定高さを有する全反射ミラーである。この全反射ミラーは図５におけるターゲットミラーとして機能する。
【００２１】
このような構成において、レーザ光として図１に示すトップハットレーザを適用したレーザ干渉変位測定装置を用いれば全反射ミラー２３の直角度や平行度に多少の変位があったとしても合波パワーの低下が生じることがない。
【００２２】
図３は本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した他の実施例を示す構成図である。
この例では格子プラテン２０上にスライダ２１ｃを一つ配置し、矩形状の格子プラテン２０の２辺に近接し直角に２つの全反射ミラーが配置されている。そして、Ｘ軸に対して所定の距離を隔てて２つのレーザ干渉変位測定装置を配置し、Ｙ軸に対して１つのレーザ干渉変位測定装置を配置している。
このような構成においても全反射ミラー２３ａの直角度や平行度に多少の変位があったとしても合波パワーの低下が生じることがない。
【００２３】
図３は本発明のレーザ干渉変位測定装置を平面モータに適用した他の実施例を示す構成図である。
この例では格子プラテン２０上にスライダ２１ｃを一個配置し、矩形状の格子プラテン２０の２辺に近接し直角に２つの全反射ミラー２３ａが配置されている。そして、Ｘ軸に対して所定の距離を隔てて２つのレーザ干渉変位測定装置を配置し、Ｙ軸に対して１つのレーザ干渉変位測定装置を配置している。
このような構成においても全反射ミラー２３ａの直角度や平行度に多少の変位があったとしても合波パワーの低下が生じることがない。
【００２４】
図４は図３に示す平面モータにおけるレーザ干渉変位測定装置の配置例とトップハットレーザからの入射方向を示す構成図である。レーザ干渉変位測定装置の構成は図５と同様なのでここでの説明は省略する。
【００２５】
図４において、４０ａ〜４０ｃは第１〜第３レーザ干渉変位測定装置であり、第１レーザ干渉変位測定装置４０ａからはＹ軸方向に向かってレーザ光が出射され、所定の距離はなれて配置された第２、第３レーザ干渉変位測定装置４０ｂ、４０ｃからはＸ軸方向に向かってレーザ光が出射される。
【００２６】
トップハットレーザはハーフミラー３０ａに入射し、透過するＩ方向と反射するＨ方向に分割される。透過したＩ方向のレーザ光は第１レーザ干渉変位測定装置４０ａに入射し、反射したＨ方向のレーザ光はハーフミラー３０ｂに入射して透過するＪ方向と反射するＫ方向に分割される。
【００２７】
そして、透過したＪ方向のレーザ光は第３レーザ干渉変位測定装置４０ｃに入射し、反射したＫ方向のレーザ光は第２レーザ干渉変位測定装置４０ｂに入射する。
このような構成によれば、トップハットレーザは一つで３個のレーザ干渉変位測定装置を機能させることができる。
【００２８】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【符号の説明】
【００２９】
１ コリメータレンズ
２ 偏光板
３、５,３０ ハーフミラー
４ 全反射直角ミラー
７ λ／４波長板
８ コーナキューブ
９ ＰＤＡ
２０ プラテン
２１ スライダ
２２、４０ レーザ干渉変位測定装置
２３ 全反射ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を分光し、分光したレーザ光の一方をターゲットミラーで反射させて前記分光した他方のレーザ光と干渉させ、干渉により生じた干渉縞を光検出器により電気信号に変換してターゲットミラーの変位を測定するレーザ干渉変位測定装置において、前記レーザ光としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いたことを特徴とするレーザ干渉変位測定装置。
【請求項２】
スライダに前記レーザ干渉変位測定装置を搭載したことを特徴とする平面モータ。
【請求項１】
レーザ光を分光し、分光したレーザ光の一方をターゲットミラーで反射させて前記分光した他方のレーザ光と干渉させ、干渉により生じた干渉縞を光検出器により電気信号に変換してターゲットミラーの変位を測定するレーザ干渉変位測定装置において、前記レーザ光としてパワー分布がほぼフラットなトップハットレーザを用いたことを特徴とするレーザ干渉変位測定装置。
【請求項２】
スライダに前記レーザ干渉変位測定装置を搭載したことを特徴とする平面モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−５８９７３（Ｐ２０１１−５８９７３Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０９５３３（Ｐ２００９−２０９５３３）
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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