(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの互いに相対的に動く物体の位置を検出するための位置測定装置であって、
両物体の一方と接続された測定尺（１０，３，３０）と、
両物体の他方と接続された、測定尺（１０，３，３０）を走査するための少なくとも一つの走査システム（２０．１，２０．２，２０．３）であって、この走査システム（２０．１，２０．２，２０．３）は、この走査システムによって、物体の少なくとも一つの横の移動方向（Ｘ，Ｙ）と垂直の移動方向（Ｚ）に沿った位置数値を同時に求めることが可能であるように構成されている走査システムと、
を備え、
走査システム（２０．１，２０．２，２０．３）の側では、光源から出射された光束（１）が、走査板（７）に配置された第一の回折格子（２）によって、異なる回折次数の二つの部分光束（４，４’）に分割され、次に、それらの部分光束（４，４’）が、それぞれ第二の回折格子として構成された反射式測定尺（３）に到達し、測定尺（３）によって、走査板（７）の方向に反射されるとともに、異なる回折次数の二つの部分光束（５，６）に更に分割され、それらの部分光束（５，６）が、走査板（７）内で偏向及び反射されて、再び測定尺（３）の所に到達して重なり合った後、測定尺（３）によって、一つの光束（２０）に纏められて、走査板（７）の方向に反射され、その光束（２０）が、走査板（７）に配置された第三の回折格子（２１）によって、少なくとも三つの個別の光線（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）に分割されるか、或いは
光源から出射された光束（１１０）が、走査板（７０）に配置された第一の回折格子（１３０）によって、異なる回折次数の三つの部分光束（３１，３２，３２’）に分割され、次に、それらの部分光束（３１，３２，３２’）が、それぞれ第二の回折格子として構成された反射式測定尺（３０）に到達し、測定尺（３０）によって、異なる回折次数の部分光束（３３，３３’；３４，３４’）として走査板（７０）の方向に反射され、それらの部分光束（３３，３３’；３４，３４’）が、走査板（７０）に配置された第三の回折格子（３５，３５’）の所に到達して重なり合うとともに、第三の回折格子（３５，３５’）によって、少なくとも三つの個別の光線（３６ａ，３６ｂ，３６ｃ）に分割され、
これらの三つの個別の光線（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ；３６ａ，３６ｂ，３６ｃ）が、それぞれ検出器（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ；３７ａ，３７ｂ，３７ｃ）によって検出されて、一つのグループの位相のずれた電気信号ＳＡ０°，ＳＡ１２０°，ＳＡ２４０°，ＳＢ０°，ＳＢ１２０°，ＳＢ２４０°に変換される、
位置測定装置。
【請求項２】
走査システム（２０．１，２０．２，２０．３）の側には、横の移動方向（Ｘ，Ｙ）と垂直の移動方向（Ｚ）における位置を求めるために、第一と第二の走査光路が形成されており、それらの光路において、二つの干渉し合う部分光束から、それぞれ出力側に一つのグループの位相のずれた信号
【数１】
0005142502.tif 000033
を生成することが可能である請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項３】
各走査光路の両部分光束が、横の移動方向（Ｘ）に対して垂直な面（ＹＺ）に関して非対称に延びており、
第二の光路が、横の移動方向（Ｘ）に対して垂直な面（ＹＺ）面に関して、第一の光路に対して鏡面対称に延びており、
各走査光路の両部分光束が、測定尺（３，１０，３０）において、異なる回折次数の回折を受ける、
請求項２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
両グループの位相のずれた信号の補間から、横方向（Ｘ）と垂直方向（Ｚ）の位置数値を検出することを可能とする一次的な位置数値を求めるための評価手段が更に配備されている請求項３に記載の位置測定装置。
【請求項５】
横方向（Ｘ）と垂直方向（Ｚ）の位置数値を検出することを可能とする一次的な位置数値の場合によっては起こる補間誤差を補償するための補償手段が更に配備されている請求項４に記載の位置測定装置。
【請求項６】
当該の各走査光路には、干渉し合う部分光束の各々に対して、同じ光路長を保証するための光学的な手段が配置されている請求項２に記載の位置測定装置。
【請求項７】
各走査光路の両部分光束が、測定尺（３，１０，３０）において、＋１次又は−１次の回折次数の回折を受ける請求項３に記載の位置測定装置。
【請求項８】
測定尺（３，１０，３０）が二次元の交差格子を有し、
互いに同一線上に無い位置に置かれた三つの走査システム（２０．１，２０．２，２０．３）が配備されており、これら三つの走査システム（２０．１，２０．２，２０．３）の位置数値の組み合わせから、六つの空間的な自由度のすべてにおける両物体の動きを検出する請求項１から７までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
【請求項９】
両物体が、半導体製造装置の構成部品である請求項８に記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学式位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置では、好適な位置測定装置を用いて、所定の互いに動く部分の空間的な位置を精密に求める必要がある。そして、これらの位置情報によって、この装置のコンピュータ制御による順次制御が可能となっている。即ち、例えば、ウェーハのステッパーでは、６つの自由度（６ＤＯＦ）のすべてにおいて、マスクとウェーハの位置を非常に精確に測定しなければならない。これまで、この位置測定は、主に複数のレーザー干渉計で行われている。今後は、様々な部分の送り速度が向上すると同時に、位置測定における精度要求が更に増大することを出発点とすべきである。例えば、従来約１ｍ／ｓの速度では、数ｎｍの精度要求が与えられている一方、将来は、明らかにより高い速度でサブナノメートルの精度を出発点としなればならない。しかし、このような高い精度要求では、周囲の空気中での屈折率の変動が、最適なエアーシャワーでも、位置測定における数ｎｍの測定値の変動に繋がるので、位置測定装置としてレーザー干渉計をもはや使用することができない。
【０００３】
このため、そのような装置に代わる位置測定装置が既に提案されている。即ち、例えば、特許文献１により、二次元測定尺として所謂交差格子を備えた光学式位置測定装置を用いることが知られている。このようなシステムは、場合によっては起こる空気の屈折率の変動によって殆ど影響を受けず、従って良好に再現可能な位置測定を可能としている。
【０００４】
このようなシステムでは、交差格子の走査から、基本的に、横方向の自由度Ｘ，Ｙ，Ｒｚ（Ｘ：Ｘ軸に沿った並進運動；Ｙ：Ｙ軸に沿った並進運動；Ｒｚ：Ｚ軸の周りの回転）を検出することができ、可能な六つの自由度のすべてを、即ち、追加の自由度Ｚ，Ｒｘ，Ｒｙ（Ｚ：Ｚ軸に沿った並進運動；Ｒｘ：ｘ軸の周りの回転；Ｒｙ：ｙ軸の周りの回転）をも測定技術的に検出するためには、従って、更にｚ方向の位置測定が必要となる。このために、特許文献１では、間隔センサー、例えば、容量式又は接触式プローブを追加することを提案している。しかし、そのような間隔センサーは、要求されている精度では、もはや十分ではない。
【０００５】
これに代わって、所要の精度を提供する間隔センサーとして、基本的に、干渉計を用いることもできる。しかし、これは、又もや筐体、信号処理、信号補正等に関して、大きな追加負担を必要とする。即ち、この場合、例えば、交差格子に対して平行又は垂直に延びる層流を有するエアシャワーを取り付けるのが難しい。しかし、このようなエアシャワーは、その位置における干渉計の十分な測定精度には不可欠である。更に、交差格子の走査と干渉計による間隔測定とからの位置測定値を時間的に精確に同期させることを実現することは困難である。
【０００６】
更に、格子にもとづく位置測定装置が周知であり、その装置を用いて、走査光路内における二つの格子間の走査間隔を求めることも可能である。この関連では、例えば、特許文献２を参照されたい。
【特許文献１】欧州特許第１０１９６６９号明細書
【特許文献２】欧州特許第４４８９８２号明細書
【特許文献３】欧州特許公開第０１６３３６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の課題は、出来る限り小さい負担により、共通の測定地点において、二つの互いに動く物体の少なくとも一つの横方向の自由度と垂直方向の自由度を高い精度で同時に測定することを可能とする位置測定装置を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、この発明にもとづき、請求項１の特徴を持った位置測定装置によって解決される。
【０００９】
この発明による位置測定装置の有利な実施形態は、従属請求項における措置から明らかとなる。
【００１０】
この発明では、両物体の一方と接続された測定尺と、両物体の他方と接続された、測定尺を走査するための少なくとも一つの走査システムとを備えた二つの互いに相対的に動く物体の位置を検出するための位置測定装置を提案する。この走査システムは、この走査システムによって、物体の少なくとも一つの横の移動方向と垂直の移動方向に沿った位置数値を同時に求めることが可能であるように構成される。
【００１１】
有利には、走査システムの側には、横と垂直の移動方向における位置を求めるために、第一と第二の走査光路が形成されている。これらの走査光路において、それぞれ二つの干渉し合う部分光束から、出力側に一つのグループの位相のずれた信号を生成することが可能である。
【００１２】
位置測定装置の有利な実施構成では、各走査光路の両部分光束は、横の移動方向に対して垂直な面に関して非対称的に延びる。更に、第二の光路は、横の移動方向に対して垂直な面に関して、第一の光路に対して鏡面対称に延びるとともに、各走査光路の両部分光束は、測定尺において、異なる回折次数の回折を受ける。
【００１３】
有利には、各走査光路の両部分光束は、測定尺において、＋１次又は−１次の回折次数の回折を受ける。
【００１４】
更に、位置測定装置の可能な実施構成では、両グループの位相のずれた信号の補間から、横方向と垂直方向の位置数値を算出することができる一次的な位置数値を求めるための評価手段を配備するものとする。
【００１５】
更に、当該の横方向と垂直方向の位置数値を算出することができる位置数値の場合によっては生じる誤差を補償するための補償手段を配備することができる。
【００１６】
この発明による位置測定装置の有利な実施構成では、干渉し合う部分光束に関して、それぞれ同じ光路長を保証するための光学的な手段を各走査光路内に配置する。
【００１７】
この発明による位置測定装置の可能な変化形態では、三つの走査システムの位置数値を組み合わせることから、六つの空間的な自由度のすべてにおける両物体の動きを検出するために、測定尺は、一つの二次元の交差格子と、互いに同一線上に無い位置に置かれた三つの走査システムを有する。
【００１８】
この発明による位置測定装置は、特に、半導体製造装置の構成要素の位置を求めるのに適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
この発明の別の利点及び詳細は、この発明が準拠する原理と二つの具体的な実施例の以下における添付図面にもとづく記述から明らかとなる。
【００２０】
この発明が準拠する原理を以下において詳しく取り上げる前に、先ずは、測定尺を格子状に形成した干渉式位置測定器の数学的な表示法について説明する。これは、以下において、この発明の別の表示法に対しても使用する。
【００２１】
格子にもとづく干渉式位置測定装置では、通常光源の光束は、二つ（又はそれより多い）部分光束に分割される。これらの部分光束は、測定尺の格子での回折によって、その位相を異なる形にずらされて、最終的に再び干渉させられる。この場合、両部分光束が通る光路長は、出来る限り同じ長さとすべきである。こうすることによって、位置数値が、光源の波長から独立したものなる。そのため、高解像度の位置測定装置の光路は、通常測定方向（Ｘ）に対して垂直な面（ＹＺ）に関して対称的となるように選定される。また、こうすることによって、格子にもとづく干渉式位置測定装置が、走査システムと測定尺との間の間隔の変化（Ｚ）に対して独立したものとなり、それは、基本的には所望の特性である。
【００２２】
従来の格子にもとづく干渉式位置測定装置の基本原理に対して、この発明を的確に区別することができるようにためには、両部分光束と測定尺の格子との相互作用（透過又は反射と組み合わせた格子回折）を精確に解明しなければならない。各相互作用により、部分光束のｋベクトルは、以下の通り変化する。
【００２３】
【数１】
0005142502.tif 000002
【００２４】
この場合、部分光束と測定尺との相互作用には、それぞれｎの番号を付与している。例えば、図１の原理図から分かる通り、そのような測定尺１０との相互作用が、通常少なくとも一回又は二回起こっている。そして、測定尺１０とのｎ番目の相互作用による第一の部分光束の位相シフトΔΦn 又は第二の部分光束の位相シフトΔΦ' n は、以下の式により与えられる。
【００２５】
【数２】
0005142502.tif 000003
【００２６】
ここで、
【００２７】
【数３】
0005142502.tif 000004
【００２８】
は、測定尺１０の位置のずれを表す。干渉地点における両部分光束の位相のずれは、以下の通り、当該の位置測定装置が示す位置数値ζを生じさせる。
【００２９】
【数４】
0005142502.tif 000005
【００３０】
ここで、
ＳＰ：位置測定装置の信号周期
【００３１】
【数５】
0005142502.tif 000006
【００３２】
：測定尺の位置
ここで、感度ベクトル
【００３３】
【数６】
0005142502.tif 000007
【００３４】
は、位置数値の線形的な変化を測定尺のずれ
【００３５】
【数７】
0005142502.tif 000008
【００３６】
を用いて、以下の通り記述する形で規定することができる。
【００３７】
【数８】
0005142502.tif 000009
【００３８】
ここで、
【００３９】
【数９】
0005142502.tif 000010
【００４０】
従来の高解像度の格子にもとづく干渉式位置測定装置の前述した対称的な構造によって、
【００４１】
【数１０】
0005142502.tif 000011
【００４２】
は、常に
【００４３】
【数１１】
0005142502.tif 000012
【００４４】
に対して（ＹＺ面に関して）鏡面対称であり、従って、感度ベクトル
【００４５】
【数１２】
0005142502.tif 000013
【００４６】
は、測定尺１０の面に対して平行である。このことは、測定尺の面に沿ってのみ測定されるべきであるので、当然に意図されたことである。測定尺１０の走査ユニットに対する相対的な正味の間隔の変化
【００４７】
【数１３】
0005142502.tif 000014
【００４８】
は、位置数値を変化させることにはならない。
【００４９】
ここで、この発明では、少なくとも一つの横方向の位置（Ｘ，Ｙ）と垂直方向の間隔（Ｚ）を同時に測定する走査システムを備えた位置測定装置を提案する。同一直線上に無い三つの異なる地点で測定尺を走査するとともに、少なくとも二つの異なる横方向の測定方向又は移動方向（Ｘ，Ｙ）に向けられている、そのような走査システムの中の少なくとも三つの位置数値を組み合わせることによって、六つの自由度のすべてを求めることができる。
【００５０】
そのような構成の例が、幾つかの関連する変数を含めて、図２に図示されている。表示されている位置数値ζX ，ζY ，ζZ ，ζRX，ζRY，ζRZ（所謂三次的な位置数値）は、個々の走査システム２０．１，２０．２，２０．３が最初に提供する二次的な位置数値ζX1，ζX2，ζY1，ζZ1，ζZ2，ζZ3の好適な線形結合によって算出される。各走査システム２０．１，２０．２，２０．３は、有利には、ちょうど一つの横方向の二次的な位置数値（ζX 又はζY ）とちょうど一つの垂直方向の二次的な位置数値（ζZ ）を決定するものである。
【００５１】
この発明では、個々の走査システム２０．１，２０．２，２０．３の各々において、それぞれ二対の部分光束が生成されて、測定尺１０で少なくとも一回回折され、その次にそれぞれ干渉計に送られる。以下においては、横方向の測定方向は、Ｘ方向に対して平行であるものとする。そして、以下で何回か言及する鏡面対称は、ＹＺ面に関するものとする。当然に、後述する実施形態は、他方の横の測定方向（例えば、Ｙ）にも同様に転用することができる。
【００５２】
両方の対の干渉し合う部分光束によって、二つのグループの信号が生じ、その際各グループは、周知の手法により、複数の互いに位相のずれた信号から構成される。
【００５３】
この発明では、第一の対の干渉し合う両部分光束の光路は、鏡面対称には選定されていない。その結果、一般的に、Ｘ方向に対して、そのため測定尺の面に対してもはや平行ではなく、測定尺の面に対して所定の角度αを成すＸＺ面内に有る感度ベクトル
【００５４】
【数１４】
0005142502.tif 000015
【００５５】
が得られる。ここで、第二の対の干渉し合う部分光束の光路は、第一の対の光路に対して鏡面対称に選定される。そして、第二の対の感度ベクトル
【００５６】
【数１５】
0005142502.tif 000016
【００５７】
は、それに対応して、
【００５８】
【数１６】
0005142502.tif 000017
【００５９】
に対して鏡面対称である。両グループの位相のずれた信号から、周知の手法により、ここでは、一次的な位置数値と称する位置数値ζ1 ，ζ2 を求めることができる。それらの値は、以下の一次式により記述することができる。
【００６０】
【数１７】
0005142502.tif 000018
【００６１】
これらから、加算及び減算によって、二次的な位置数値ζXS，ζZSが得られ、これらは、以下の式にもとづき、対応する感度ベクトル
【００６２】
【数１８】
0005142502.tif 000019
【００６３】
に割り当てることができる。
【００６４】
【数１９】
0005142502.tif 000020
【００６５】
鏡面対称であるために、感度ベクトル
【００６６】
【数２０】
0005142502.tif 000021
【００６７】
は、常に測定尺の面に対して平行であり、かつ第一の測定方向Ｘに沿っている。それに対して、感度ベクトル
【００６８】
【数２１】
0005142502.tif 000022
【００６９】
は、常に測定尺の面に対して垂直であり、そのためＺ方向に対して平行である。即ち、個々の走査システム２０．１，２０．２，２０．３は、ちょうど一つの横方向の位置数値と一つの垂直方向の位置数値を提供する。
【００７０】
場合によっては起こる測定尺の傾斜を含めたより精確な解析は、効果的な測定点の（横方向の）ＸＹ位置が、両方の二次的な位置数値に関して同じであることを示している。即ち、この発明による鏡面対称な構成は、両方の数値ζXSとζZSが共通の中央のＸＹ点において測定されることを保証するものである。この場合、Ｘ位置は、当然に位置測定装置の対称面（ＹＺ面）上に有る。測定点が共通であることにより、（すべての走査の測定点位置などの）自由なパラメータの数が少なくなるので、操作開始時の位置測定装置の較正が軽減される。
【００７１】
このような格子にもとづく干渉式位置測定装置の波長依存性も関心の的であることが分かっている。即ち、横方向の二次的な位置数値を計算する差分演算ζXS＝１／２（ζ1 −ζ2 ）によって、関与する四つの部分光束の位相位置を加算又は減算する。この場合、それぞれ二つの部分光束は、一つの鏡面対称な光路を持つ、即ち、それらの光路長は、同じである。より精確な考察では、これらの鏡面対称な部分光束の位相位置は、それぞれ互いに逆方向にずれており、その結果光路長にもとづく位相のずれは、それぞれ相殺される。格子回折にもとづく位相のずれだけが残ることとなる。従って、その結果得られる位相差は、従来技術の格子にもとづく干渉式位置測定装置における位相差と一致する。このことは、横方向の位置数値ζXSが、同じくもはや波長に依存しないことを意味する。従来技術の格子にもとづく位置測定装置では、干渉し合う両部分光束が既に鏡面対称となっており、それらの位相のずれが、干渉を起こすことによって、互いに直接減算し合うのに対して、この発明では、鏡面対称でない部分光束が干渉し合って、先ずは二つの一次的な位置数値の差し引きによって、位相のずれた鏡面対称の部分光束の差分を取るという違いが有る。
【００７２】
横方向の位置数値ζXSの波長依存性は、この発明の決定的な利点である。横方向の位置数値ζXSに対する精度要求は、一般的に垂直方向の位置数値ζZSよりも１０桁高いので、使用する光源の波長安定性を垂直方向の測定値のより小さい要求にのみ振り向けなければならない。垂直方向の位置数値ζZSの波長依存性のより精確な考察は、それがＺ軸に沿って位置を求めるための通常の干渉計の依存性に匹敵することを示している。ここで、通常典型的には１ｍｍであるＺ方向の測定行程は、横方向において検出すべき測定行程（＞４００ｍｍ）よりも大幅に小さいことを考慮すべきである。公称間隔Ｚ0 における両方の干渉し合う部分光束の光路長を補償するのが、特に有利である（下記参照）。この場合、間隔に偏差が有る場合（Ｚ＝Ｚ0 ＋ΔＺ）にのみ、検出した位置数値の波長依存性が生じるが、それは比較的小さいままである。
【００７３】
この発明の枠内において、場合によっては起こる補間誤差も簡単に補償することができる。即ち、Ｚ方向への動きが無い場合、Ｘ方向に沿った測定尺１０の正味の横方向の動きは、両方の一次的な位置数値ζ1 とζ2 の位相のずれに繋がる。従って、短い測定行程内において、信号誤差及び／又は補間誤差の完全な周期を捉えることが可能であり、そのことは、安定した誤差解析に関する前提条件である。一次的な位置数値の補間誤差の解析と補正又は補償は、周知の適応式方法によって行われる。両方の一次的な位置数値の二次的な位置数値に対する補正及び差し引きにもとづき、二次的な位置数値も同じく補間誤差が無くなる。この場合、このことは、傾斜した感度ベクトル
【００７４】
【数２２】
0005142502.tif 000023
【００７５】
にもとづく（Ｘ方向における）局所的な補間誤差を、Ｚ方向への動きが無い場合にも補償することができることを意味する。有利には、個々の走査システム２０．１，２０．２，２０．３の横の測定方向（Ｘ，Ｙ）は、この発明による位置測定装置を採用しており、かつ十分な精度を要求される各機械の主要な移動方向に対して角度を持った方向に向けられる。それらの方向を、例えば、対角線（ＲZ ＝４５°）に配置することができる。
【００７６】
信号の生成に関して重要な測定尺の回折次数は、鏡面対称のために、両グループの信号に対して同じである。有利には、＋１次と−１次の回折次数だけを使用する。これらの回折次数の回折効率は、周知の手法により、回折構造を好適に選定することによって、簡単に最大化することができる。そのため、場合によっては別の走査原理及び／又は別の波長依存性を持つ別のセンサーを同時に最適化することが省略される。このような措置は、例えば、最初に説明した通り、干渉計にもとづく走査センサーと組み合わせて、交差格子の測定尺を用いる場合に必要である。即ち、この場合には、交差格子の走査は、＋１次及び−１次の回折次数において高い回折効率を必要とする一方、干渉計による間隔測定では、最適化された０次の回折次数を必要とする。この場合、更に交差格子の測定尺が、間隔用干渉計の反射器としての役割を果たすので、交差格子の走査及び干渉計による間隔測定の際に使用する異なる波長に関する交差格子の測定尺の負担のかかる好適な設計が更に必要となる。
【実施例１】
【００７７】
ここで、以下において、この発明による位置測定装置の第一の実施例を図３と４にもとづき説明する。この場合、図３は、この実施例の走査光路を空間的に異なる図面により図示している。
【００７８】
図示されていない光源から到来して入射する、コリメートされたレーザー光線の直線偏光された光束１は、走査板７の下側の回折格子２によって、＋１次と−１次の回折次数の光束４，４’に分割される。回折格子２の格子定数は、測定尺３の格子定数と同じである。回折格子２の＋１次の回折次数の光束４は、反射式測定尺３に到達して、そこで＋１次及び−１次の回折次数の回折により、二つの部分光束５，６に分割される。−１次の回折次数で回折された部分光束５は、光軸Ｚに対して平行に（即ち、０次の回折次数となって）走査板７の方向に戻って来る。＋１次の回折次数に偏向された部分光束６は、２次の回折次数となる方向に伝搬する。両部分光束５，６は、走査板７の下側の回折用偏向構造８，９に到達する。これらの偏向構造８，９は、これらの構造が、送られて来る部分光束１０’，１１’をＸＺ面内ではそれぞれＺ方向に対して平行な方向に向け、ＹＺ面内では横方向に偏向するとともに、円柱レンズに相当する集束形態を持つような大きさに構成されている。
【００７９】
０次の回折次数となって送り出される部分光束５は、走査板７の表側のミラー１２によって反射されて、その次に走査板７の下側のミラー１３に到達する。そこは、前述した回折用偏向構造８又は円柱レンズの焦点の位置でもある。その後、部分光束は、改めて走査板７の表側のミラー１２で反射されて、走査板７の下側の第二の偏向構造１４に到達する。
【００８０】
＋２次の回折次数となって走査板７に当たる部分光束６は、その表側のミラー１２に到達し、そこは、通過した偏向格子９の焦点の位置でもある。その部分光束は、反射後に、走査板７の下側の第二の偏向構造１５に直接到達する。
【００８１】
第二の偏向構造１４，１５は、それぞれＸＺ面に関して、第一の偏向構造８，９に対して鏡面対称であり、従って、当たって来る部分光束を、横にＹ方向にずらすが、本来の走査板７に当たった部分光束５，６に対して逆方向に戻す形で測定尺３に偏向する。それらの部分光束は、測定尺３によって改めて回折される前に、両部分光束１８，１９に対して異なる方向に向けられているλ／４位相板１６，１７を通過し、その結果左回りと右回りに回転偏光された部分光束が生じる。これらの部分光束は、測定尺３において、一回目に当たった場合と同じ回折次数で、即ち、＋１次又は−１次でそれぞれ回折される。この回折によって、両部分光束１８，１９は、走査板７に対して平行な光束２０として戻される。これらの部分光束は、そこで回折格子２１を通過して、この回折格子は、一つに纏められた部分光束を三つの個別の光線２２ａ，２２ｂ，２２ｃに分割し、これらの三つの個別の光線２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、異なる方向に向けられた偏光子２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通過した後、検出器２４ａ，２４ｂ，２４ｃによって検出されて、電気信号
【００８２】
【数２３】
0005142502.tif 000024
【００８３】
に変換される。三つの偏光子２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、６０°毎に走査する形の偏光角に置かれており、その結果信号
【００８４】
【数２４】
0005142502.tif 000025
【００８５】
は、互いに１２０°の位相のずれが生じている。
【００８６】
２次の回折次数となって走査板７に当たる部分光束６は、０次の回折次数となった部分光束５よりもより長い光路長で走査板７と測定尺３との間を通過しなければならない。この行程の違いを同じにするために、ＹＺ面において、走査板７内において異なる光路長を規定する、即ち、前述した通り、一方の部分光束を三回反射させて、他方の部分光束を一回反射させる形で規定する。走査板の厚さと偏向格子８，９，１４，１５を好適な大きさに規定することによって、公称間隔Ｚ0 の波長による違いを排除することができる。
【００８７】
第一の回折格子によって、−１次の回折次数で偏向された光束４’は、走査板７上の相応に鏡面対称に配置された偏向格子８’，９’によって、ＹＺ面に関して、鏡面対称に分割されて、再び一つに纏められる。それにより、信号
【００８８】
【数２５】
0005142502.tif 000026
【００８９】
が得られる。
【００９０】
各グループの位相のずれた信号
【００９１】
【数２６】
0005142502.tif 000027
【００９２】
又は
【００９３】
【数２７】
0005142502.tif 000028
【００９４】
から、周知の手法により、位置数値を計算する。その結果、前述した一次的な位置数値ζ1 及びζ2 が得られる。位置数値ζ1 及びζ2 の計算に、補間誤差の相応の補償を含めることができる。感度ベクトル
【００９５】
【数２８】
0005142502.tif 000029
【００９６】
の決定は、ここで説明した例に関しては、図４から読み取ることができる。それは、所要の通り、Ｘ方向に対して傾斜している。
【００９７】
この実施構成に関して、使用する波長λ＝０．７８μｍで、測定尺の格子定数ｄ＝２．０４８μｍの場合、横方向の信号周期ＳＰX ＝０．５１２μｍ及び垂直方向の信号周期ＳＰZ ＝１．１μｍが得られる。
【実施例２】
【００９８】
以下において、図５と６にもとづき、この発明による位置測定装置の第二の実施例を説明する。
【００９９】
この変化形態では、例えば、特許文献３で周知の三格子原理による干渉式位置測定装置を、この発明にもとづき、例えば、図５の模式図で分かる通り修正している。
【０１００】
走査板７０の下側の第一の回折格子１３０は、図示されていないレーザーダイオードのコリメートされた光束１１０を（０次、＋１次及び−１次の回折次数の）三つの部分光束３１，３２，３２’に分割する。＋１次と０次の回折次数の部分光束３２，３１は、第一の一次的な位置数値を生成するための二つの第一の部分光束を形成する。それと鏡面対称に、０次と−１次の回折次数の部分光束３１，３２’が、第二の一次的な位置数値用の第二の部分光束を提供する。
【０１０１】
＋１次と０次の回折次数の部分光束３２，３１は、反射用測定尺３０において、−１次又は＋１次の回折次数に偏向されて、その結果これらの空間方向に広げられた部分光束３４，３３は、その次に走査板７０の表側で重なり合い、そこには好適な混合格子３５が有る。このような混合格子３５は、例えば、特許文献３により知られており、その結果として±１２０°の位相のずれを持つ三つの光束３６ａ，３６ｂ，３６ｃが生成される。これらの光束３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、光検出器３７ａ，３７ｂ，３７ｃによって、（電流）信号
【０１０２】
【数２９】
0005142502.tif 000030
【０１０３】
に変換されて、周知の手法により評価されて、第一の一次的な位置数値ζ1 となる。
【０１０４】
鏡面対称の第二の部分光束３１，３２’は、それと同様に、信号
【０１０５】
【数３０】
0005142502.tif 000031
【０１０６】
又は第二の一次的な位置数値ζ2 を提供する。
【０１０７】
各第二の走査格子３５，３５’の格子定数ｄA2は、以下の関係にもとづき、両部分光束３３，３４又は３３’，３４’が、それぞれ同じ方向に偏向されて、互いに干渉し合うことが可能であるように選定される。
【０１０８】
【数３１】
0005142502.tif 000032
【０１０９】
ここで、
ｄA1：第一の走査格子の格子定数
ｄA2：第二の走査格子の格子定数
ｄM ：測定尺の格子定数
この実施構成に関する第一の一次的な位置数値ζ1 の感度ベクトルは、図６に図示されている。それに対応する第二の一次的な位置数値の感度ベクトルは、構造的な制限にもとづき、又もやそれに対して鏡面対称の方向を向いている。
【０１１０】
最後に、以下において、この発明を組み合わせた広範な代替の実施形態を更に列挙する。様々な措置を追加して及び／又は代替として採用することができる。
【０１１１】
即ち、例えば、第一の一次的な位置数値を提供する任意の非対称的な走査光路を使用することもできる。この場合、光路を鏡面対称に配置するだけでなく、第二の一次的な位置数値を生成するための関連するすべての構成要素も鏡面対称に配置することができる。
【０１１２】
位相のずれた信号の生成は、広範な周知の方法により実行可能である。即ち、例えば、様々な偏光評価法を用いるか、構造を持つ光センサーを用いて縞模様を検出するバーニャ縞模様生成法を規定するか、さもなければ前述した特許文献３にもとづき走査格子による位相のずれた信号の直接的な生成を行うことができる。
【０１１３】
同様に、前述した干渉し合う両部分光束の公称間隔における光路長の同一化は、前記の説明と異なる手法で実施することができる。即ち、例えば、前記の第一の実施例と同様に、基本的に異なる光路配置を規定することができる。ともかく短い部分光路内に同一化用のガラス板を配置することができる。更に、このような光路長の同一化は、相応の厚さの偏光部品によっても可能であり、その場合これらの部品は、そのために二重の機能を受け持つことができる。
【０１１４】
この発明による位置測定装置の光源としては、様々な変化形態の光源、例えば、ストリップライン型レーザーダイオード、ＶＣＳＥＬ光源、ＨｅＮｅレーザーなどのコヒーレントな光源が検討対象となる。
【０１１５】
更に、例えば、（前述した両方の実施構成による）コリメートされた光束か、さもなければ発散する、或いは収束する光路などの様々なコリメーション状態の回折を規定することが可能である。
【０１１６】
更に、両方の位置数値を求めるために、単一の電子評価回路を用いることが可能であり、その場合複式回路構成により、並行的な位置数値決定を行うことができるか、さもなければ、例えば、サンプルアンドホールド回路の信号値の中間メモリを用いた位置数値決定を行うことができる。
【０１１７】
以上の通り、この発明の枠組みの中には、前述した例以外に、更なる一連の実施形態が存在する。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】格子にもとづく干渉式位置測定装置の模式的な原理図
【図２】六つの自由度すべてを測定技術的に検出するための測定構成の模式図
【図３】この発明による位置測定装置の第一の実施構成の走査光路の異なる図
【図４】図３の例の感度ベクトルを求めることを説明するための模式図
【図５】この発明による位置測定装置の第二の実施構成の走査光路
【図６】図５の例の感度ベクトルを求めることを説明するための模式図
【符号の説明】
【０１１９】
１    光束
２    回折格子
３    測定尺
４    ＋１次の回折次数の光束
４’  −１次の回折次数の光束
５，６  部分光束
７    走査板
８，９  第一の偏向構造
８’，９’  偏向格子
１０    測定尺
１０，１１    部分光束
１２，１３    ミラー
１４，１５    第二の偏向構造
１６，１７    λ／４位相板
１８，１９    部分光束
２０    光束
２１    回折格子
２０．１，２０．２，２０．３    走査システム
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ    光線
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ    偏光子
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ    検出器
３０    測定尺
３１，３２，３３，３４，３２’，３３’，３４’    部分光束
３５，３５’  第二の走査格子（混合格子）
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ    光束
３７ａ，３７ｂ，３７ｃ    光検出器
７０    走査板
１１０    光束
１３０    第一の回折格子
Ｘ，Ｙ，Ｚ    物体の移動方向
Ｚ0     公称間隔    
【図１】
0005142502.tif 000034
【図２】
0005142502.tif 000035
【図３】
0005142502.tif 000036
【図４】
0005142502.tif 000037
【図５】
0005142502.tif 000038
【図６】
0005142502.tif 000039