(57)【要約】【課題】高精度、高速計測も対応可能な干渉縞走査用受光ユニットを提供すること。【解決手段】２光束間の波面の位相差に基づいて縞の位置が移動する干渉縞を、透過位相を変えて配置した複数の遮光スリットを微小領域ごとに配置し、それぞれ微小な受光素子にて受光し、透過位相が同じ素子同士で加算し、最終的に必要な複数相の位相差信号を得る受光モジュールにて検出し、複数の位相差信号を得ること。【選択図】図１
2015078861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相を変えて配置した複数の遮光スリットを平面状に微小領域に分割して配置した遮光スリットアレイに、干渉縞を投影し透過させて、それぞれ遮光スリットの微小領域に対応する微小受光素子にて受光し、位相が同じ遮光スリットに対応する微小受光素子同士で電気信号を加算し、複数相の受光信号を得る干渉縞走査受光モジュール。
【請求項２】
複数の短冊状領域に遮光スリットの位相を変えて配置したものを、周期的に配列した遮光スリットアレイと  複数の短冊状受光素子を前記遮光スリットアレイの位相の種別ごとに共通電極に集電するように形成された受光素子アレイからなり、両者が近接されて接合されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉縞走査受光モジュール。
【請求項３】
遮光スリットアレイに、干渉縞を角度を成して投影し透過させて、それぞれ遮光スリットの微小領域に対応する微小受光素子にて受光し、位相が微小受光素子同士で電気信号を加算し、複数相の受光信号を得る請求項1に記載の干渉縞走査受光モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉縞走査受光モジュールに、断面に干渉縞を有する光束を入射させて、物体の移動や物理量の変化に伴う複数の周期信号を生成し、それを用いて物体の移動や物理量の変化を計測する干渉計測装置。
【請求項５】
相対移動する回折格子に光束を照射し、互いに異なる次数の少なくとも２つの回折光を発生させ、回折次数を異ならせてから2光束を角度差を付与した状態で合成することで、断面に干渉縞を有する光束を生成し、その光束を前記干渉縞走査受光モジュールに一括入射させて、互いに位相のずれた複数の正弦波状信号を生成し、それら信号を用いて物体の移動量や移動方位を計測する請求項４に記載の干渉計測装置を有するエンコーダ。
【請求項６】
相対移動する反射面からの反射光と、固定された基準反射面からの反射光を、互いに角度差を付与して合成し、その光束を前記干渉縞走査受光モジュールに一括入射させて、互いに位相のずれた複数の正弦波状信号を生成し、それら信号を用いて物体の移動量や移動方位を計測する請求項４に記載の干渉計測装置を有する干渉型変位計測装置。
【請求項７】
第一の光路における反射面からの反射光と、第二光路における反射面からの反射光を、互いに角度差を付与して合成し、その光束を前記干渉縞走査受光モジュールに一括入射させて、互いに位相のずれた複数の正弦波状信号を生成し、それら信号を用いて第一の光路中と第二の光路中の媒質や材料の相対的な長さ、屈折率、気圧、温度を含む物体の情報を計測する請求項４に記載の干渉計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉を用いた光学計測装置に関する。特に格子干渉方式エンコーダやマイケルソン干渉計等において複数の干渉周期信号を得て、それらの位相差を付与する光学方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイケルソン干渉計や格子干渉方式エンコーダは高精密ステージの位置計測に広く使われている(特許文献１参照）が、干渉縞（明暗）信号の周期数を係数するとともに、複数の正弦波信号に位相差を付与し、それらの信号を組み合わせて演算することで正弦波１周期内の位相を求め、位置検出の分解能を高めて使用される。図６は干渉縞を櫛歯状受光素子アレイに投影する手法を利用した格子干渉型エンコーダの従来例である。
【０００３】
レーザ光源LDからの発散光をコリメータレンズCOLにて平行光束にし、相対移動する回折格子GT1に照明すると角度θ0にて±1次回折光が反射され、その後拡大結像レンズLNSを経由して、角度θ1にて櫛歯状受光素子アレイ３CH-PDA上に照明される。櫛歯状受光素子は、短冊状受光素子PD(U)、PD(V)、PD(W)を周期Tにて規則的に並列配置して、３つ毎に共通の電極に集電されるように接続されたものである。
【０００４】
ここで、この受光素子の周期Tは、レーザ光源LDの波長λ、角度θ1との間に
sinθ1＝λ／（2T）
の関係を満たすように設定されていると、受光素子PD(U)、PD(V)、PD(W)に投影される干渉縞の位相がそれぞれ一致することになり、集電された出力を最大にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０２２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように櫛歯状受光素子アレイを干渉縞投影型エンコーダに適用するには上記関係式が成立するように製作する必要があるが、ここでいくつか課題が存在する。
【０００７】
第一の課題として受光素子アレイ自体を製造するフォトリソプロセス技術の制約がある。周期Tは、数10ミクロン程度が微細化の限界であり、そのためエンコーダの高分解能化に限界ができてしまうことである。一般にスケール上の回折格子GT１のピッチを小さくすると、干渉縞のピッチも細かくなるため、周期Tを小さくする必要がある。拡大結像レンズの倍率を大きくする対策も考えられるが、そうすると光学系全体が大きくなってしまう。
【０００８】
第二の課題として、さまざまな分解能のエンコーダを実現するために、異なる周期Tの櫛歯状受光素子アレイを用意する必要があり、経済性が低いことである。一般に半導体プロセスを利用してカスタム素子を製造するには莫大な投資が必要であるが少量多品種に対応する櫛歯状受光素子アレイを経済的に用意することは困難である。
【０００９】
第三の課題として高精度計測を行うためには、スケールや回折格子、受光素子の位置を安定させる必要があるが、スケールや回折格子は石英等の低膨張材料を使用しても、受光素子はSi等の半導体であり、熱膨張等で寸法や位置が変化してしまう。よって本来は石英等の低膨張材料が計測の基準であることが望ましい。
【００１０】
第四の課題として高速測定を実現するためには、受光素子の容量やインダクタンスを小さくする必要があるが、微細な受光素子サイズにすると損なわれてしまう。特に細長い形状の受光素子はインダクタンスが極端に増大してしまう。よって微細なピッチの櫛歯状受光素子アレイは高速応答性能が得られない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、標準となる櫛歯状受光素子アレイに空間走査の位相差を付与した光学マスクを付加する方法で、ミクロンオーダーの微細化を実現し、更に複数の仕様の異なる干渉縞にも柔軟に対応でき、高精度、高速計測も対応可能な干渉縞走査用受光ユニットを実現したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を適用することで、高精細な干渉縞を高精度光学マスクに投影して受光することになるので、高分解能化も高精度化も設計変更への柔軟性も備えた干渉縞走査受光ユニットおよびそれを利用したエンコーダ、干渉変位センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の格子干渉型エンコーダの全体光学系
【図２】実施例１に適用した位相差信号を生成する受光光学系
【図３】実施例２の格子干渉型エンコーダ
【図４】遮光スリットアレイと櫛歯状受光素子アレイとの相対的な位相ずらしは与えないで、投影する干渉縞の方位と角度差を与えて、結果として隣の短冊受光素子で受光する干渉縞の位相が120°ずつずれるようにして使用する実施例の説明図
【図５】本発明の第二の実施例で、「３CH干渉縞走査受光ユニット」を干渉変位センサとリニアエンコーダの複合光学系に適用した説明図
【図６】干渉縞投影を利用した格子干渉型エンコーダの従来例
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施例］
図１は本発明の第一の実施例で、120°ずつ走査位相をずらした3種の微小な遮光スリットSLT(+120)、SLT(0)、SLT(-120)を１つの基板上に形成したもので空間を走査し、後段の櫛歯状の受光素子アレイ3CH-PDAにて受光するような３チャンネル遮光スリット付き櫛歯状受光素子アレイ3SLTPDAを用いた格子干渉型エンコーダの構成実施例である。
【００１５】
レーザ光源LDからの発散光をコリメータレンズCOLにて平行光束にし、相対移動するピッチP1＝4ミクロンの回折格子GT1に照明すると角度θ0にて±1次回折光が反射され、その後ピッチP2＝2ミクロンの偏向回折格子GT21、GT22にて光路を曲げて、角度θ0にて３チャンネル遮光スリット付き櫛歯状受光素子アレイ3SLTPDA上に照明される。
【００１６】
この３チャンネル遮光スリット付き櫛歯状受光素子アレイ3SLTPDAの下部は、３チャンネル櫛歯状受光素子アレイ3PDAとなっており、短冊状受光素子PD(U)、PD(V)、PD(W)を周期T＝45ミクロンにて規則的に並列配置して、３つ毎に共通の電極に集電されるように接続されたものである。
【００１７】
この櫛歯状受光素子アレイ3PDAの上面には、周期T1＝2ミクロンにて略直角方向に遮光スリットが形成されていて、それぞれの短冊状受光素子領域に対応して、隣同士で、遮光スリットの空間位相が120°ずつずらしてあり、３つ毎に同じ空間位相を走査するように配置された3チャンネル遮光スリットアレイ3SLTAが近接配置されている。通常は接着されている。
【００１８】
ここで、この受光素子の周期Tは、レーザ光源LDの波長λ、角度θ0  との間に
sinθ1＝λ／（2T1）
の関係を満たすように設定されていると、受光素子PD(U)、PD(V)、PD(W)に投影される干渉縞の位相がそれぞれ一致することになり、集電された出力を最大にすることができる。受光素子PD(U)、PD(V)、PD(W)の出力は、投影された干渉縞が1ピッチ分横移動すると、1周期の正弦波信号を出力し、３つの正弦波信号の位相は互いに120°ずつずれた状態になっている。
【００１９】
次に本発明の位相差信号を生成する受光光学系を図２を用いて説明する。受光素子アレイPDA-CHIPは、例えば幅12ミクロン長さ2000ミクロンの短冊状の受光面を15ミクロン間隔で660本配列し、3つ毎に共通の電極に接続してあり、端子PD（U）,PD(V),PD(W)より3チャンネルの光電流を出力するように構成されている。
【００２０】
また、受光素子アレイPDAの受光面の直前には、幅12ミクロン長さ2000ミクロンの短冊状の領域に短手方向にピッチ2ミクロンの遮光スリットパターンが形成してあり、3つ毎に前記遮光スリットの格子配置位相を+120度、0度、-120度  に変えて形成した３チャンネル遮光スリット板3SLTAが挿入され、前記受光素子アレイの短冊状の各領域と重なるように組み合わされている。これらを「３CH干渉縞走査受光ユニット」3SLTPDAと呼ぶことにする。
【００２１】
さて先述の格子干渉エンコーダ光学系より、スケールの移動に伴って、2回折光の干渉縞が横に移動するような光束を得て、この「３CH干渉縞走査受光ユニット」に入射させると、スケールが1ピッチ＝4ミクロン移動するとともに干渉縞が、2ピッチ横に移動する状態になるため、出力端子から2周期の3相の正弦波信号が得られる。分解能は、本実施例の格子干渉型エンコーダ光学系の場合は、スケールの格子ピッチの半分の分解能となり、スケールの格子ピッチ分＝4ミクロン移動すると2周期の正弦波信号が得られるため、信号周期は2ミクロンである。
【００２２】
この本発明の実施例は図６に比較して、まず拡大結像レンズを用いないため小型でありながら、格子ピッチ4ミクロン、信号周期2ミクロンの高分解能エンコーダを実現したところが優れている。さらに、遮光スリットは石英ガラス等の表面にパターンニングされたものを用いれば熱膨張による誤差の懸念もない。さらに、遮光スリットのピッチや位相ずらし量を適宜変更したものと組み合わせることで、多種のエンコーダが実現可能である。
【００２３】
受光素子自体は光学的なマッチングは意識しなくて高速応答性や半導体製造プロセスの事情に合わせて最適なものを選定・設計・使用できるため、設計の自由度も大きいというメリットもある。なお、本実施例を以下のように変更することも本発明の範囲として実現可能である。
【００２４】
図３のように、遮光スリットの格子線の向きを斜めにして、３つ毎の受光素子にて同じ位相関係になるように構成配置し、同じ位相状態の遮光スリットに対応する受光素子をそれぞれ集約し3相信号として出力しても良い。
【００２５】
図４は、遮光スリットアレイと櫛歯状受光素子アレイとの相対的な位相ずらしは与えないで、投影する干渉縞の方位と角度差を与えて、結果として隣の短冊受光素子で受光する干渉縞の位相が120°ずつずれるようにして使用する実施例である。なお図４の本実施例では干渉縞は縦縞であるので、３CH空間走査受光ユニット全体を回転させて干渉縞を走査しているが、干渉縞側を斜めに回転させても良い。
【００２６】
また、短冊状の受光素子を３つの電極に集約し3相信号を出力しているが、4相信号にする場合は、90度ずつ位相をずらした遮光スリットを4組用意して、4組の電極で集約して出力すれば良く、6相信号にする場合は、60度ずつ方位をずらした遮光スリットを6組用意して、6組の電極で集約して出力すればよい。このように遮光スリットの位相ずらしを組み合わせることでそれ以外の相数にも自在に変更可能である。
【００２７】
また、受光素子形状を短冊状ではなく、微小な正方形または長方形、円形等にして、遮光スリットの領域もそれに対応する外形にして、遮光スリットの位相が同じものをCCD素子のような転送技術を用いて最終的に同じ信号として集約することでも同じ効果を達成することが可能である。また等間隔に配列せず、ランダムにしても良い。
【００２８】
なお、本発明全体にわたって、干渉縞の局所的なムラの影響を受けないためには、細分化された受光素子の周期長に対して十分大きな周期のムラである必要がある。本実施例では、受光素子の間隔を15ミクロンとし、３つ毎に集約しているため、受光素子としての周期長は45ミクロンである。これに対して、投影する干渉縞光束はφ２ｍｍ程度を照射する場合を想定しており、45ミクロンに対して十分緩やかなムラであれば効果的にムラの影響を軽減できる。更に、受光素子アレイ直前の遮光スリットアレイは、半導体製造プロセスを利用して受光素子アレイに一体的に形成しても良い。
【００２９】
図５は本発明の第二の実施例で、「３CH干渉縞走査受光ユニット」を干渉変位センサとリニアエンコーダの複合光学系に適用したものである。レーザまたはSLD光源LDからの発散光をレンズLNSで平行光束にし、回折格子GT1にて0次、＋1次、−1次の３つの回折光束に分離する。
【００３０】
−1次回折光は、ミラーM上の点P3にて反射され、遮光スリットアレイSLTAｚに斜めに照明される。一方0次回折光は、相対移動スケールの回折格子GT２上の点P1に照明され、そこで発生した−1次回折光は、ミラーMの裏面の点P４にて反射され、相対移動スケールの回折格子GT２上の点P５に照明され、そこで発生した＋1次回折光は、略垂直に射出し、遮光スリットアレイSLTAｚに略垂直に照明される。
【００３１】
ここで、遮光スリットSLTAｚは、回折格子GT1と同じピッチの遮光スリットの周期が形成してある。ここに投影される干渉縞の周期は回折格子GT1と同じになるため、効率よく干渉縞を空間走査して、後段の３CH櫛歯状受光素子アレイPDAｚにて受光される。そして３CH櫛歯状受光素子アレイPDAｚからは、3相の互いに位相が120°ずつずれた正弦波状信号が出力されるが、この信号は、干渉変位センサとして、スケールGT２〜回折格子GT1の間隔変動に対する周期信号となる。
【００３２】
なお、回折格子GT1で＋1次回折された光束は、相対移動スケールの回折格子GT２上の点P２に照明され、そこで発生した−1次回折光は、略垂直に射出し、３CH干渉縞走査受光ユニットSLTAｙに略垂直に照明され、回折格子GT1で0次回折され相対移動スケールの回折格子GT２上の点P１で発生した＋1次回折光は、３CH干渉縞走査受光ユニットSLTAｙに斜めに照明される。これら2光束は、３CH干渉縞走査受光ユニットSLTAｙ上に干渉縞を投影することになるが、その干渉縞のピッチは、回折格子GT1と同じピッチであり、遮光スリットの周期とも一致させてあるので、効率よく干渉縞を空間走査して、３CH干渉縞走査受光ユニットPDAｙにて受光される。そして本受光ユニットからは3相の互いに位相が120°ずつずれた正弦波状信号が出力されるが、この信号は、y軸方位の格子干渉型エンコーダとして、スケールGT２が横方向に1ピッチ移動すると2周期の変化となる周期信号となる。
【００３３】
このように遮光スリットアレイを櫛歯状受光素子アレイと組み合わせた「３CH干渉縞走査受光ユニット」を利用することで、小型な干渉変位センサが実現される。
【００３４】
本発明は、格子干渉型エンコーダや干渉計測装置に適用され、ナノメートル、サブナノメートルの長さ、変位計測装置として好適である。
【符号の説明】
【００３５】
LD：発光素子
COL：レンズ
GT1、GT2、GT3：回折格子
QWP：1/4波長板
SLTA：遮光スリットアレイ
SLTAP：偏光素子アレイプレート
PD：受光素子
PDA：受光素子アレイ
PDA-CHIP：受光素子アレイチップ
３SLTPDA：3チャンネル遮光スリットアレイ付き受光モジュール
【図１】
2015078861.tif 000003
【図２】
2015078861.tif 000004
【図３】
2015078861.tif 000005
【図４】
2015078861.tif 000006
【図５】
2015078861.tif 000007
【図６】
2015078861.tif 000008