(57)【要約】【課題】従来の光干渉計の分解能を上回る高分解能を正確に実現する位置決め機構を実現する。【解決手段】光コムを利用して得られる第１及び第２の波長の光を、それぞれマッハツェンダー干渉計４で干渉させる際、マッハツェンダー干渉計４の測定光路中にコーナーリフレクタ１及びコーナーリフレクタ２を設け、第１の波長の光はコーナーリフレクタ１とコーナーリフレクタ２を通し、第２の波長はコーナーリフレクタ２のみを通し、コーナーリフレクタ１のみを移動させ、第１の波長の光と第２の波長の光に位相差をおこし、この位相差を０に保障するようにコーナーリフレクタ２を移動させるとき、コーナーリフレクタ２の移動量は波長１と波長２の比で決まる倍率でコーナーリフレクタ１の移動量を縮小した移動量になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源において光コムを利用して得た第１及び第２の波長の光を、それぞれマッハツェンダ干渉計により干渉させて被測定体の位置決めを行う位置決め機構において、
光コムをもとに光源を構成して用いることによって正確なズーム比を得ることで、被測定体の位置決めを正確に行うことを特徴とする位置決め機構。
【請求項２】
光コムをもとにして構成する二種類の波長の光を出す光源と、
該光源から作り出した第１及び第２の波長の光を被測定体に反射させ前記第１のビームスプリッターに入射させる第１の光路と、
該光源から作り出した第１及び第２の波長の光を音響光学変調器を介して第１のビームスプリッターに入射させる第２の光路と、
前記第１の光路の第１の波長の光の光路中に設けられ第１の波長の光の位相変調を行う直動ミラーと、
第１の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第１の光検出器と、
第２の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第２の光検出器と、
第１及び第２の光検出器の検出信号に基づいて位相差を求め該位相差信号を被測定体の可動機構に出力する位相比較器と、を備えており、
直動ミラーを移動させると、光源の波長によって正確に決められたズーム比に従った量だけ被測定体の可動機構が移動し位置決めされる位置決め機構。
【請求項３】
前記光源は、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出してこれをもとに構成したものであり、この光源から作り出され干渉計に導入される第１及び第２の波長の光としては、光コムから取り出された第１のモードの光、光コムから取り出された第２のモードの光、光コムから取り出された第１のモードの光と第２のモードの光の合成波長の光、又は、充分に安定なレーザー光源の光を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め機構。 
【請求項４】
前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、２つの半導体レーザーの波長をそれぞれ光コムの２つの異なった周波数にロックするように制御する構成であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の位置決め機構。
【請求項５】
前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、ｆｓコムレーザーの光を２つの異なった周波数ファブリーペロー共振器を用いて２波長を取り出す構成であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の位置決め機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信関連工業、電子工業、機械工業などの精密生産分野における精密測長器や変位計測センサを校正するための装置に用いる位置決めステージ等の精密位置決め機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体露光、光ディスク露光、精密加工などの分野での位置決めや測長には、高分解能なデジタルスケールが用いられているが、最近ではその分解能は１００ピコメートル以下にまで達しており、これらの精度を評価するための校正装置も高分解能化、高精度化が必要である。
【０００３】
このための解決手段として、メートル法にトレーサブルである必要性などから光干渉計を用いる手段が適している。しかし、従来の干渉計では、周期誤差を低減できず、その精度は約１ｎｍにとどまっていた。
【０００４】
そこで、第二高調波と基本波の屈折率の差を利用したズーミング干渉計が開発されている（特許文献１参照）。これは、第二高調波の屈折率と基本波の屈折率の違いから、同じ長さを通る光の光路長に差ができ、この差を利用して逓倍を行う干渉計である。  
【特許文献１】特許２６９００４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の干渉計では、第二高調波と基本波の屈折率の差を利用したズーミング干渉計であるが、これは、屈折率を利用するため正確にズーム比を決めることが困難であること、厳密にメートルにトレーサブルにすることが容易でないという問題点があった。
【０００６】
ところで、様々の分解能のデジタルスケールを校正する必要がある一方、測定システムの大きさを大幅に変えることは困難である、などの点から、ズーム比を可変化することが有効であるが、特許文献１記載の干渉計ではズーム比を自由に変えることができないという問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的とするものであり、ズーム比を正確に決定することができ、また、ズーム比を可変にできるため、適したズーム比を選択することができるズーミング干渉計を利用した位置決め機構を実現することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために、光源において光コムを利用して得た第１及び第２の波長の光を、それぞれマッハツェンダ干渉計により干渉させて被測定体の位置決めを行う位置決め機構において、直動ミラーを移動させると、光源の波長によって正確に決められた比に従った量だけ被測定体の可動機構が移動し、被測定体の位置決めを正確に行うことを特徴とする位置決め機構を提供する。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために、第１及び第２の波長の光を出す光源と、該光源からの第１及び第２の波長の光を被測定体に反射させ第１のビームスプリッターに入射させる第１の光路と、該光源からの第１及び第２の波長の光を音響光学変調器を介して前記第１のビームスプリッターに入射させる第２の光路と、前記第１の光路の第１の波長の光の光路中に設けられた第１の波長の光の位相変調を行う直動ミラーと、第１の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第１の光検出器と、第２の波長の光の第１及び第２の光路からそれぞれ入光された光の干渉光を受光する第２の光検出器と、第１及び第２の光検出器の検出信号に基づいて位相差を求め該位相差信号を被測定体の可動機構に出力する位相比較器と、を備えており、直動ミラーを移動させると、光源の波長によって正確に決められた比に従った量だけ被測定体の可動機構が移動し位置決めされる位置決め機構を提供する。
【００１０】
前記光源は、光コムの二つの異なった波長の光を取り出したものであり、この光源から作り出され干渉計に導入される第１及び第２の波長の光としては、光コムから取り出された第１のモードの光、光コムから取り出された第２のモードの光、光コムから取り出された第１のモードの光と第２のモードの光の合成波長の光、又は、充分に安定なレーザー光源の光が考えられる。
【００１１】
前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、２つの半導体レーザーの波長をそれぞれ光コムの２つの異なった周波数にロックするように制御する構成とすればよい。
【００１２】
前記光源において、光コムの二つの異なった波長のモードの光を取り出す方法としては、光コムの光を２つの異なった共振周波数をもつファブリーペロー共振器を用いて２波長を取り出す構成とすればよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る位置決め機構のズーミング干渉計は、光コムから切り出した２周波を光源として用いることにより、ズーム比を正確に決定することができ、また、ズーム比を可変にできるため、適したズーム比を選択することができ、これにより、様々な分解能の高分解能デジタルスケールの校正に対応できる高分解能、高精度測長できる装置の実現が可能であり、しかも、そのような装置のシステムのコンパクト化が可能である。
【００１４】
さまざまな分解能の測長器を校正しようとするとき、ズーム比が可変でない場合、低分解能の測長器を校正するときには、コーナーリフレクタ１を非常に大きく変位させなければならず、高分解能な測長器の場合は小さく変位させなければならない。
【００１５】
この場合、干渉計をあらかじめ大きく作る必要性が出てきて、これは干渉計の動作の安定性や環境安定性の点から見て、不利である。光源を変えてズーム比を可変にすることによって干渉計の大きさを変えずに測定を行うことができれば、動作の安定性も得られ、環境安定性の点でも有利である。
【００１６】
しかしながら、レーザー光源では、任意の波長λｐ、λｓを選ぶことは難しい。本発明の干渉計では、光源として光コムから切り出した光を用いることで、任意のズーム比を簡単に得ることができる。
【００１７】
ところで、前記特許文献１で開示されているような、光の屈折率の差を用いて分解能を逓倍する高分解能位置決め機構では、屈折率を精度良く測定できないために、ズーム比が正確に決められないという問題点があった。
【００１８】
しかしながら、本発明の干渉計のように、光コムを光源に用いると、光コムは正確で安定したモード間ビート周波数をもっているので、ここからλｐ、λｓを切り出すと、ズーム比が正確に定まり、上記問題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る位置決め機構を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明に係る位置決め機構は、その本体３は、図１に示すような干渉計４から構成される。この干渉計４の光路の一部に直動するコーナリフレクタ２が組み込まれており、較正や測定すべき対象物である変位センサのような測長器５は、このコーナリフレクタ２に、詳細は図２において後記するが、取り付け治具６によって取り付けられる。
【００２１】
本発明に係る位置決め機構の本体を構成する上記干渉計は、ズーミング干渉計として機能する。ここで、ズーミング干渉計とは、二つの波長を光源に用いる干渉計で、その波長の差や屈折率の差を利用してそれぞれの波長が感じる位相変化に差を持たせ、参照光路での位相変化を被測定光路の位相変化で補償すると、被測定光路の光路長変化は、参照光路の光路長変化を拡大、または縮小したものになる、という干渉計である。
【００２２】
（本体３）
本発明に係る位置決め機構の本体３を構成する干渉計４では、光源７から第１の波長λｓ、第２の波長λｐの二つの波長の光を入射する。光源７については、後で詳述するが、光コム（超短パルスレーザによって発生させられた多くの色成分を含んだ光）を用いる。
【００２３】
干渉計４に導入する光を、波長λｐの光と波長λｓの光とすると、光コムから切り出した第１及び第２の二つのモードの光の波長をλ１、λ２とすると、λｐ、λｓには、λ１、λ２、λ１とλ２の合成波長λｓ＝λ１・λ２／（λ１−λ２）、又は充分に安定なレーザー光源λ３を用いることができる。
【００２４】
波長λｓの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１で第１の光路８及び第２の光路９の二つに分けられる。第１の光路８では、波長λｓの光は、コーナーリフレクタ１、コーナーリフレクタ２を通り、第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。
【００２５】
第２の光路９では、波長λｓの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１、第２のビームスプリッターＢＳ２、集光レンズ１０、変調周波数Δｆの音響光学変調器１１（音波によって光ビームの振幅と位相を変える器具。acousto-optic modulator。以下、「ＡＯＭ」という。）を通り、凹面鏡１２で反射され、ＡＯＭ１１、集光レンズ１０を再び通り、第２のビームスプリッターＢＳ２から第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。
【００２６】
波長の違う複数の光をＡＯＭ１１に通すと、光路が波長によってずれてしまい、後の光学系の調整が複雑になるという問題があるが、この第２の光路９の構成のように、集光レンズ１０、ＡＯＭ１１、凹面鏡１２を設けることによりこのような問題が解決される。
【００２７】
ＡＯＭ１１を往復して通過した光は、二回変調を受け、変調周波数は２Δｆになる（２Δｆの周波数シフトを受けている。）。
【００２８】
第１の光検出器１４では、第１の光路８を通った光と、第２の光路９を通り２Δｆの変調を受けた光の干渉信号Ｉｓが得られる。この干渉信号Ｉｓは、周波数２Δｆのビート信号として得られる。
【００２９】
波長λｐの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１で第１の光路８及び第２の光路９の二つに分けられる。第１の光路８では、波長λｐの光は、コーナーリフレクタ２を通り、第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。
【００３０】
第２の光路９では、波長λｐの光は、第１のビームスプリッターＢＳ１、第２のビームスプリッターＢＳ２、集光レンズ１０、ＡＯＭ１１を通り、凹面鏡１２で反射され、ＡＯＭ１１、集光レンズ１０を再び通り、第２のビームスプリッターＢＳ２から第３のビームスプリッターＢＳ３に入射する。
【００３１】
第２の光検出器１５では、第１の光路８を通った光と、第２の光路９を通り２Δｆの変調を受けた光の干渉信号Ｉｐが得られる。この干渉信号Ｉｐは、周波数２Δｆのビート信号として得られる。
【００３２】
第１の光検出器１４及び第２の光検出器１５は、それぞれ位相比較器１３に接続されている。コーナーリフレクタ２は、ピエゾアクチュエータ、その他の駆動手段により直動可能な構成として、位相比較器１３の比較結果に応じて、直線方向にｘだけ変位させるように構成されている。
【００３３】
この位相比較器１３で、干渉信号Ｉｓの光と干渉信号Ｉｐの光の位相差Δφを観測する。この場合次のように行う。まず、コーナーリフレクタ１を変位Ｘだけ変位させる。次に、干渉信号Ｉｓが受ける位相変化を保障し、干渉信号Ｉｓの光と干渉信号Ｉｐの光の位相差ΔφがΔφ＝０となるようにコーナーリフレクタ２を変位させる。このときのコーナーリフレクタ２の変位をｘとする。
【００３４】
この一連の操作によるＩｓの位相変化は、Δφｓ＝（Ｘ／λｓ＋ｘ／λｓ）・２π、
Ｉｐの位相変化は、Δφｐ＝（ｘ／λｐ）・２πである。
【００３５】
ここで、Δφ＝Δφｓ−Δφｐ＝０となるように操作したので、
Δφ＝Δφｓ−Δφｐ＝｛（Ｘ＋ｘ）／λｓ−ｘ／λｐ｝・２π＝０となる。この式から、
ｘ＝（λｐ／(λｓ−λｐ)）Ｘ＝（１／Ｋ）・Ｘとなる。ここで、Ｋをズーム比と呼ぶ。
【００３６】
以上の構成からなる干渉計４によれば、コーナーリフレクタ１の変位Ｘを高分解能に測定することで、コーナーリフレクタ２は、さらにそのＫ倍高い分解能で位置決めされる。
【００３７】
例えば、光源７としてλｓ＝約０．６ｍｍ、λｐ＝約０．６μｍの波長の光を用いると、Ｋ＝約１０００となるが、コーナーリフレクタ１の変位Ｘを分解能０．１μｍで測定してコーナーリフレクタ２を動かすと、コーナーリフレクタ２は０．１ｎｍの分解能で位置決めされる。
【００３８】
図２に示すように、コーナーリフレクタ２に、校正しようとする変位センサ５などの測長器を、校正器物取り付け説明図のように、センサ取り付け治具６によって取り付け、コーナーリフレクタ１を高精度にある分解能で動かし、位相差が０になるようにコーナーリフレクタ２を動かすと、コーナーリフレクタ２は、コーナーリフレクタ１の分解能のＫ倍高い分解能で位置決めされる。
【００３９】
コーナーリフレクタ１の変位を十分に高精度に測定するとき、コーナーリフレクタ２は正しい分解能で変位する。これにより、コーナーリフレクタ２に取り付けられた変位センサのような測長器５を校正することができる。
【００４０】
例えば、校正されるべき測長器５を１００ピコメートルの分解能で校正しようとするとき、干渉計４のズーム比Ｋを１０００に選んだ場合、コーナーリフレクタ１を１００ナノメートルの分解能で正確に変位させれば、コーナーリフレクタ２は１００ピコメートルの分解能で正確に位置決めされるので、変位センサ５などの測長器５の指示値を分解能１００ピコメートルで校正することができる。
【００４１】
通常、干渉計が精度良く変位測定できる分解能は１ｎｍ程度であるが、本発明における干渉計４によれば、変位Ｘを精度良く測定すると、自動的に変位ｘをズーム比倍だけ小さい分解能で測定できる。このことから、コーナーリフレクタ１を精度良く動かすと、コーナーリフレクタ２は、ピエゾアクチュエータなどを用いても精度良く、高分解能に位置決めすることができる。
【００４２】
また、Ｉｓには、干渉計４全体のノイズが含まれるが、原理的には、Ｉｐではノイズもズーム比倍縮小される。そして、本発明の干渉計４は、光源７としてλｐ、λｓの波長をいろいろに組み合わせることにより、任意のズーム比が得られるので、さまざまな分解能に対応することが可能である。
【００４３】
（光源）
本発明に係る位置決め機構の干渉計４では、光源７として、光コムを用いる構成を特徴としている。図３及び図４は、本発明の干渉計４に用いる光源７の一例を説明する図である。図３に示す光源７は、光コムの第１及び第２の二つのモードに第１の半導体レーザーＬＤ１（以下、単にＬＤ１」という。）及び半導体レーザーＬＤ２（以下、単にＬＤ２」という。）の２台をそれぞれ安定化させ二波長光源７を得る構成である。
【００４４】
ＬＤ１のビームは、第１のビームスプリッターＢＳ１で二つに分けられ、一方は安定化のための制御信号を取り出すためにＢＳ４、回折格子１を経由して光検出器ＡＰＤ１（ＡＰＤ：アバランシェ・フォトダイオードは、逆バイアスを印加することにより光電流が 増倍される高速・高感度のフォトダイオードである。以下単に「ＡＰＤ」という。）に入射する。もう一方はビームスプリッターＢＳ６を通り、干渉計４に入射する光源７となる。
【００４５】
コムレーザー光は、第３のビームスプリッターＢＳ３で半分に分けられＢＳ４でＬＤ１の制御用ビームと合わせられる。光コムの中で、ＬＤ１の波長λ１に近い波長のモードだけを制御に用いるが、光コムには多くのモードが含まれているので、回折格子１を用いることにより、光コムのモードの空間的分布を広げ、制御に用いる波長付近の光とＬＤ１の光のみをＡＰＤ１で検出する。
【００４６】
ＡＰＤ１で検出される、ＬＤ１の光とコムレーザーの一部のモードとのビート信号から制御信号を作り、図４に示すように、ＬＤ１の波長λ１に近い波長のコムの１モードと、ＬＤ１とのビート周波数を観測し、このビート周波数が安定する（ロックする）ようにＬＤ１の印加電流に制御をかける。
【００４７】
ＬＤ２のビームについてもＬＤ１と同様に制御し、第２のビームスプリッターＢＳ２で二つに分けられ、一方は安定化のための制御信号を取り出すためにビームスプリッターＢＳ５、回折格子２を経由してＡＰＤ２に入射する。もう一方はビームスプリッターＢＳ６を通り、干渉計４に入射する光源７となる。
【００４８】
コムレーザー光は、第３のビームスプリッターＢＳ３で半分に分けられビームスプリッターＢＳ５でＬＤ２の制御用ビームと合わせられる。回折格子２を用いることにより、コムレーザーのモードの空間的分布を広げ、制御に用いる波長付近の光とＬＤ２の光のみをＡＰＤ２で検出する。
【００４９】
ＡＰＤ２で検出される、ＬＤ２の光とコムレーザーの一部のモードとのビート信号から制御信号を作り、ＬＤ２の波長λ２に近い波長のコムの１モードと、ＬＤ２とのビート周波数を観測し、図４に示すように、このビート周波数が安定する（ロックする）ようにＬＤ２の印加電流に制御をかける。
【００５０】
ところで、光コムのモード間周波数間隔は非常に一定で安定しているので、この中の二つのモードに安定化した半導体レーザー光は、やはり非常に安定した一定の周波数間隔を持つ光源である。本発明に係る位置決め機構における干渉計４の光源７として、光コムを光源７に用いる構成の利点を以下に説明する。
【００５１】
さまざまな分解能の測長器５を校正しようとするとき、ズーム比が可変でない場合、低分解能の測長器５を校正するときには、コーナーリフレクタ１を非常に大きく変位させなければならず、高分解能な測長器５の場合は小さく変位させなければならない。
【００５２】
この場合、干渉計４をあらかじめ大きく作る必要性が出てきて、これは干渉計４の動作の安定性や環境安定性の点から見て、不利である。光源７を変えてズーム比を可変にすることによって干渉計４の大きさを変えずに測定を行うことができれば、動作の安定性も得られ、環境安定性の点でも有利である。
【００５３】
しかしながら、レーザー光源７では、任意の波長λｐ、λｓを選ぶことは難しい。本発明の干渉計４では、光源７として光コムから切り出した光を用いることで、任意のズーム比を簡単に得ることができる。
【００５４】
ところで、前記特許文献１で開示されているような、光の屈折率の差を用いて分解能を逓倍する高分解能位置決め機構では、屈折率を精度良く測定できないために、ズーム比が正確に決められないという問題点があった。
【００５５】
しかしながら、本発明の干渉計４のように、光コムを光源７に用いると、光コムは正確で安定したモード間ビート周波数をもっているので、ここからλｐ、λｓを切り出すと、ズーム比が正確に定まり、上記問題を解決することができる。
【００５６】
干渉計４に導入する光を、波長λｐの光と波長λｓの光とすると、光コムから切り出す二つの波長をλ１、λ２とすると、λｐ、λｓは、λ１、λ２、λ１とλ２の合成波長λｓ＝λ１・λ２／（λ１−λ２）、又は充分に安定なレーザー光源λ３である。充分に安定なレーザー光源λ３は、λｐ、λｓを、λ３、λ１という組み合わせ、又は、λ３、λ２という組み合わせ、又は、λ３、λ１とλ２の合成波長という組み合わせとすることにより用いる。
【００５７】
図５及び図６は、本発明の実施例における光源７の別の例を説明する図である。この光源７では、図５に示すように、コムレーザー（コムレーザー）から光コムのビームをビームスプリッターを通して、第１のファブリーペロー共振器１６及び第２のファブリーペロー共振器１７にそれぞれ入射させて、波長λ1、λ2 の安定な光を得ることを特徴とするものである。
【００５８】
第１のファブリーペロー共振器１６は、図６に示すように、干渉計４の光源７として用いたい波長λ１に対応する周波数を共振周波数にもち、光コムの１モードのみを切り出すことができるフィネスをもっており、波長λ１のモードの光だけを取り出す。
【００５９】
また、第２のファブリーペロー共振器１７についても同様に、λ２に対応する共振器を作成し、波長λ２のモードの光だけを取り出す。
【００６０】
この光源７は、構成が非常に簡単であり、目的とするモードのみを、Ｓ／Ｎよく取り出すことができる。  
【００６１】
以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、以上のような構成であるから、通信関連工業、電子工業、機械工業などの精密生産分野における精密測長器や変位計測センサを校正するための装置に用いる位置決めステージや、精密位置決め機構に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る位置決め機構の実施例の全体構成である干渉計を説明する図である。
【図２】本発明の実施例の干渉計と校正するべき対象物との関係的構成を示すための対象物の取り付けを説明する図である。
【図３】本発明の実施例の光源の一例を説明する図である。
【図４】本発明の実施例の光源の一例の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施例の光源の別の例を説明する図である。
【図６】本発明の実施例の光源の図５に示す別の例の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  コーナーリフレクタ     
２  コーナーリフレクタ     
３  位置決め機構の本体     
４  干渉計                 
５  測長器（変位センサ）     
６  取り付け治具           
７  光源                    
８  第１の光路             
９  第２の光路             
１０  集光レンズ            
１１  ＡＯＭ（音響光学変調器）
１２  凹面鏡                
１３  位相比較器 
１４  第１の光検出器
１５  第２の光検出器           
【図１】
2008051674.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008051674.tif 000005
【図４】
2008051674.tif 000006
【図５】
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【図６】
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