特許 5976390 位置測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5976390

(24)【登録日】2016年7月29日

(45)【発行日】2016年8月23日

(54)【発明の名称】位置測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/38 20060101AFI20160809BHJP

   G01D 5/347 20060101ALI20160809BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20160809BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/38 A

   G01D5/347 110U

   G01B11/00 G

【請求項の数】13

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-111132(P2012-111132)

(22)【出願日】2012年5月15日

(65)【公開番号】特開2012-242389(P2012-242389A)

(43)【公開日】2012年12月10日

【審査請求日】2015年4月20日

(31)【優先権主張番号】10 2011 076 178.0

(32)【優先日】2011年5月20日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100153419

【弁理士】

【氏名又は名称】清田 栄章

(72)【発明者】

【氏名】フローリアン・ガルクツァーレク

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング・ホルツアプフェル

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０１０６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００１３９２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１８６４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０７８６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０７３１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５２７０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７０３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５０９３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００５１８８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２９２７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３２９３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／３８

Ｇ０１Ｂ １１／００

Ｇ０１Ｄ ５／３４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反射式の測定尺（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）と、
少なくとも１つの再帰反射器（１２１；２２１；３２１；４２１）を有する検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）と、
少なくとも１つの光源（１３１；２３１；３３１；４３１）と少なくとも１つの検出装置を有する信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）と
を備えて成る位置測定装置であって、
前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）と前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）を構造的に分離されたユニットとして形成し、
前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）を前記測定尺（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）に対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に沿って変位可能に配置し、
前記光源（１３１；２３１；３３１；４３１）から照射される少なくとも１つのビームを自由ビームとして前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）から前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）の方向へ照射し、
互いに干渉し合う少なくとも１対の部分ビームを前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）から前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）の方向へ自由ビームとして照射し、
前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）及び前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）を互いに平行な平面内に配置し、
前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）と前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）の間における前記自由ビームの少なくとも一部の拡がり方向を前記平面に対して垂直に配向する
よう構成したことを特徴とする位置測定装置。

【請求項2】

前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）及び前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）が配置された前記平面を前記測定尺（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）に対して平行に配置したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項3】

前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）における検出装置を、複数の光電式検知部材（１３４．１〜１３４．３；２３４．１〜２３４．３；３３４．１〜３３４．４；４３４．１ａ〜４３４．３ａ，４３４．１ｂ〜４３４．３ｂ）を含んで構成し、前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）における少なくとも１つのレンズをこれら光電式検知部材の手前に配置し、前記光電式検知部材（１３４．１〜１３４．３；２３４．１〜２３４．３；３３４．１〜３３４．４；４３４．１ａ〜４３４．３ａ，４３４．１ｂ〜４３４．３ｂ）方向へ照射される自由ビームを前記レンズによって前記光電式検知部材（１３４．１〜１３４．３；２３４．１〜２３４．３；３３４．１〜３３４．４；４３４．１ａ〜４３４．３ａ，４３４．１ｂ〜４３４．３ｂ）へ焦点合わせするよう構成したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項4】

前記互いに干渉し合う部分ビームの少なくとも１対を、それぞれ互いに直角な偏光を伴いつつ同一線上で自由ビームとして前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）から前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）へ照射するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項5】

前記互いに干渉し合う部分ビームの少なくとも１対を、前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）においてそれぞれ重ね合わせ、及び少なくとも２つの部分ビームへ分割し、この分割された部分ビームを前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）から前記信号ユニット（３０；１３０；２３０；３３０；４３０）方向へ自由ビームとして照射するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項6】

前記光源（１３１；２３１；３３１；４３１）から前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）へ照射される自由ビームが前記検出ユニット（２０；１２０；２２０；３２０；４２０）を屈折することなく前記測定尺（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）方向へ通過するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項7】

前記検出ユニット（４２０）を更に１つの分割要素（４２６）を含んで構成するとともに、前記信号ユニット（４３０）を２つの検出装置を含んで構成し、前記光源（４３１）から入射するビームを前記分割要素（４２６）によって分割して２つの非対称な検出光路を形成し、前記両検出装置によって検出信号を検出可能とし、これにより少なくとも前記検出ユニット（４２０）の水平変位方向及び垂直変位方向の前記測定尺（４１０）に対する位置検出を同時に行えるよう構成したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項8】

前記検出ユニット（２２０；３２０；４２０）における前記再帰反射器（２２１；３２１；４２１）をレンズ−ミラー−再帰反射器として形成するとともに、前記検出ユニット（２２０；３２０；４２０）を透明かつ水平な載置部を含んで構成し、該載置部における前記測定尺（２１０；３１０；４１０）と対向する側に少なくとも第１レンズ部材（２２２．１，２２２．２；３２２．１，３２２．２；４２２．１ａ，４２２．２ａ，４２２．１ｂ，４２２．２ｂ）及び第２レンズ部材（２２２．３，２２２．４；３２２．３，３２２．４；４２２．３ａ，４２２．４ａ，４２２．３ｂ，４２２．４ｂ）を配置し、前記載置部における前記測定尺（２１０；３１０；４１０）とは逆側には少なくとも１つの反射器要素（２２１．１，２２１．２；３２１．１，３２１．２，４２１．１，４２１．２）を配置したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項9】

前記第１レンズ部材（２２２．１，２２２．２；３２２．１，３２２．２；４２２．１ａ，４２２．２ａ，４２２．１ｂ，４２２．２ｂ）により、通過する部分ビームをその通過時に屈折させるとともに前記反射器要素（２２１．１，２２１．２；３２１．１，３２１．２，４２１．１，４２１．２）へ向けて少なくとも部分的に焦点合わせされるように構成し、
前記第２レンズ部材（２２２．３，２２２．４；３２２．３，３２２．４；４２２．３ａ，４２２．４ａ，４２２．３ｂ，４２２．４ｂ）により、通過する部分ビームをその通過時に屈折させるとともに少なくとも部分的にコリメートさせるよう構成した
ことを特徴とする請求項８記載の位置測定装置。

【請求項10】

前記第１レンズ部材（２２２．１，２２２．２；３２２．１，３２２．２；４２２．１ａ，４２２．２ａ，４２２．１ｂ，４２２．２ｂ）及び前記第２レンズ部材（２２２．３，２２２．４；３２２．３，３２２．４；４２２．３ａ，４２２．４ａ，４２２．３ｂ，４２２．４ｂ）を、これら第１レンズ部材（２２２．１，２２２．２；３２２．１，３２２．２；４２２．１ａ，４２２．２ａ，４２２．１ｂ，４２２．２ｂ）及び第２レンズ部材（２２２．３，２２２．４；３２２．３，３２２．４；４２２．３ａ，４２２．４ａ，４２２．３ｂ，４２２．４ｂ）と前記反射器要素（２２１．１，２２１．２；３２１．１，３２１．２，４２１．１，４２１．２）の間の光学距離に相当する焦点距離を有するよう構成したことを特徴とする請求項８記載の位置測定装置。

【請求項11】

前記光源及び／又は前記光電式検出要素を、前記信号ユニットの外部へ配置するとともに光ファイバによって前記信号ユニットへ接続したことを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれかに記載の位置測定装置を有する装置において、
前記測定尺（１０）を固定して設け、
前記検出ユニット（２０）を精密位置決めテーブル（２９）上に配置するとともに、該精密位置決めテーブル（２９）により前記検出ユニット（２０）を前記測定尺（１０）に対して少なくとも測定方向（ｘ）に沿って位置決めするよう構成し、
前記信号ユニット（３０）を粗位置決めテーブル（３９）上に配置するとともに、該粗位置決めテーブル（３９）により前記信号ユニット（３０）を前記測定尺（１０）に対して少なくとも測定方向（ｘ）に沿って位置決めするよう構成した
ことを特徴とする装置。

【請求項13】

前記精密位置決めテーブル（２９）又は前記粗位置決めテーブル（３９）により変位する前記検出ユニット（２０）及び前記信号ユニット（３０）のうち、前記信号ユニット（３０）にのみケーブルコネクタを介して後置の固定された構成要素を接続したことを特徴とする請求項１２記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、位置測定装置及びこの位置測定装置を備えた装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には位置測定装置が開示されており、この位置測定装置は、互いに相対変位する対象物を高精度に位置検出するのに適している。この対象物は例えば半導体製造装置における機械構成部材であり、その相対位置を正確に検出（決定）する必要がある。

【0003】

公知の位置測定装置は、測定尺と、少なくとも１つの測定方向へ変位する検出ユニットを含んで構成されている。この検出ユニットには、測定尺を高解像度で光学的に検出するための異なる一連の要素が配置されている。すなわち、異なる実施例における各検出ユニットには、光源、光電式検知部材並びに当該検出プレート上に配置された格子構造体及び反射要素を備えた少なくとも１つの検出プレートが設けられている。また、所定の使用に対しては、光源及び検出装置を検出ユニットから空間的に分離して別の信号ユニット内に配置することが可能となっている。さらに、光ビーム及び部分ビームは、それぞれ検出ユニットあるいは検出プレート及び検出装置へそれぞれ導光装置を介して供給されるようになっている。

【0004】

この結果、このような公知の位置測定装置においては、測定尺と、検出プレートを有する検出ユニットが相対変位するようになっており、通常は測定尺が固定され、検出ユニットが可動となっている。検出ユニットと、光源及び検出装置を有する別の信号ユニットとの間には、導光部材を介して機械的な接続部あるいは機械的な結合部が存在する。検出ユニットと共に移動しない信号ユニットと可動の検出ユニットを機械的に接続することは、高精度な用途に対して不都合なものであるとともに、位置検出に際して誤差を生じさせることにつながってしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】欧州特許出願公開第１７３９３９５号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、位置測定装置における可動部材をできる限り他の部材と機械的に接続せずに成る高精度の位置測定装置を提供することにある。また、更なる目的は、サイズダウンを図るとともに、位置測定装置における各構成部材の変形の影響をできる限り受けないようにすることにもある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的は、請求項１の特徴を有する位置測定装置によって達成される。また、本発明による位置測定装置の好ましい実施の形態は、従属請求項に記載されている。さらに、本発明による位置測定装置を備えた装置は、請求項１５の対象となっている。

【0008】

本発明によれば、信号ユニットと検出ユニットの間に設けられた光学要素を介して屈折させることなく、及び／又は導光部材を介した信号伝達を行うことなく、信号ユニットと検出ユニットの間のビームを両方向に自由ビームとして照射することが可能である。ここで、検出ユニット及び信号ユニットは、それぞれ互いに平行な平面内に配置されており、これら両ユニットの間における自由ビームの拡がり方向は、検出ユニット及び信号ユニットの上記平面に対して垂直に配向されている。

【0009】

本発明による位置測定装置は、反射式の測定尺と、少なくとも１つの再帰反射器を有する検出ユニットと、少なくとも１つの光源と少なくとも１つの検出装置を有する信号ユニットとを備えて構成されている。ここで、前記検出ユニットと前記信号ユニットを構造的に分離されたユニットとして形成し、前記検出ユニットを前記測定尺に対して少なくとも１つの測定方向に沿って変位可能に配置している。また、前記光源から照射される少なくとも１つのビームを自由ビームとして前記信号ユニットから前記検出ユニットの方向へ照射し、互いに干渉し合う少なくとも１対の部分ビームを前記検出ユニットから前記信号ユニットの方向へ自由ビームとして照射するようにしている。また、前記検出ユニット及び前記信号ユニットを互いに平行な平面内に配置している。さらに、前記信号ユニットと前記検出ユニットの間における前記自由ビームの少なくとも一部の拡がり方向を前記平面に対して垂直に配向するよう構成している。

【0010】

特に、前記検出ユニット及び前記信号ユニットが配置された前記平面を前記測定尺に対して平行に配置するのが好ましい。

【0011】

また、前記信号ユニットにおける検出装置を、複数の光電式検知部材を含んで構成し、前記信号ユニットにおける少なくとも１つのレンズをこれら光電式検知部材の手前に配置し、前記光電式検知部材方向へ照射される自由ビームを前記レンズによって前記光電式検知部材へ焦点合わせするよう構成することが考えられる。

【0012】

また、前記互いに干渉し合う部分ビームの少なくとも１対を、それぞれ互いに直角な偏光を伴いつつ同一線上で前記検出ユニットから前記信号ユニットへ照射するよう構成してもよい。

【0013】

また、前記互いに干渉し合う部分ビームの少なくとも１対を、前記検出ユニットにおいてそれぞれ重ね合わせ、及び少なくとも２つの部分ビームへ分割し、この分割された部分ビームを前記検出ユニットから前記信号ユニット方向へ自由ビームとして照射するよう構成するのが好ましい。

【0014】

また、本発明の一実施形態は、前記光源から前記検出ユニットへ照射される自由ビームが前記検出ユニットを屈折することなく前記測定尺方向へ通過するよう構成したことを特徴としている。

【0015】

また、前記検出ユニットを更に１つの分割要素を含んで構成するとともに、前記信号ユニットを２つの検出装置を含んで構成し、前記光源から入射するビームを前記分割要素によって分割して２つの非対称な検出光路を形成し、前記両検出装置によって検出信号を検出可能とし、これにより少なくとも前記検出ユニット水平方向及び垂直方向の前記測定尺に対する位置検出を同時に行えるよう構成することも考えられる。

【0016】

また、前記検出ユニットにおける前記再帰反射器をレンズ−ミラー−再帰反射器として形成するとともに、前記検出ユニットを透明かつ水平な載置部を含んで構成し、該載置部における前記測定尺と対向する側に第１レンズ部材及び第２レンズ部材を配置し、前記載置部における前記測定尺とは逆側には少なくとも１つの反射器要素を配置することが可能である。

【0017】

また、このとき、前記第１レンズ部材及び前記第２レンズ部材を、前記載置部に設けられた回折レンズとして形成することが考えられる。

【0018】

さらに、前記反射器要素を前記載置部に設けられた反射層として形成するとともに、該反射層の反射面側を前記第１レンズ部材及び前記第２レンズ部材の方向へ配向することも可能である。

【0019】

また、前記第１レンズ部材により、通過する部分ビームをその通過時に屈折させるとともに前記反射器要素で少なくとも部分的に焦点合わせされるように構成し、前記第２レンズ部材により、通過する部分ビームをその通過時に屈折させるとともに少なくとも部分的にコリメートさせるよう構成することが考えられる。

【0020】

また、前記第１レンズ部材及び前記第２レンズ部材を、これら第１レンズ部材及び第２レンズ部材と前記反射器要素の間の光学距離に相当する焦点距離を有するよう構成することが可能である。

【0021】

また、前記検出ユニットにおける前記再帰反射器を屋根型プリズムとして形成するとともに、そのルーフエッジを測定方向へ配向させてもよい。

【0022】

前記光源及び／又は前記光電式検出要素を、前記信号ユニットの外部へ配置するとともに光ファイバによって前記信号ユニットへ接続することも考えられる。

【0023】

さらに、本発明による位置測定装置を有する装置において、前記測定尺を固定して設け、前記検出ユニットを精密位置決めテーブル上に配置するとともに、該精密位置決めテーブルにより前記検出ユニットを前記測定尺に対して少なくとも測定方向へ位置決めするよう構成し、前記信号ユニットを粗位置決めテーブル上に配置するとともに、該粗位置決めテーブルにより前記信号ユニットを前記測定尺に対して少なくとも測定方向へ位置決めするよう構成することが考えられる。

【0024】

ここで、前記精密位置決めテーブル又は前記粗位置決めテーブルにより変位する前記検出ユニット及び前記信号ユニットのうち、前記信号ユニットにのみケーブルコネクタを介して後置の固定された構成要素を接続するのが好ましい。

【0025】

さらに、前記測定尺を前記精密位置決めテーブルの上方に配置するとともに、該精密位置決めテーブルを前記粗位置決めテーブルの上方に配置してもよい。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、導光部材を介した検出ユニットの信号ユニットへの接続を省略することが可能である。このようにして、可動の検出ユニットへの外力をほぼ完全に最小化することが可能である。また、検出ユニットと信号ユニットの間の選択され、特にミラー等による検出ユニットと関係した屈折を必要としない自由ビームの光路によって、自由ビームの最小の光路長が得られる。これにより、検出ユニット及び測定尺の変形時に生じ得る誤差を最小化することも可能である。

【0027】

さらに、検出ユニットのサイズダウンも可能である。自由ビームの強固な、あるいは外力の影響を受けにくい伝達のために検出ユニット側に適当な大きさの入射面及び射出面が必要であるため、これら入射面及び射出面を、高い精度が必要とされる場合に拡張される必要がある測定尺上の検出面に対して平行となるようにするのが好ましい。そのため、検出ユニットの検出面に対する更なるサイズアップを回避することが可能である。

【0028】

また、例えば緊急時における迅速な停止時にも、検出面に対して平行に、短時間に検出ユニットの大きな横方向の変位を生じさせることが可能である。本発明による位置測定装置の構成部材はこの変位方向に対して平行に配置されているため、これら構成部材同士の接触及びこれに伴うこれら構成部材の損傷を防止することが可能である。

【0029】

本発明の他の効果については、図面を参照しつつ以下の実施の形態において説明する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明による位置測定装置を備えた装置の概略を示す図である。

【図2a】本発明による第１の実施の形態を示す図である。

【図2b】本発明による第１の実施の形態を示す図である。

【図2c】本発明による第１の実施の形態を示す図である。

【図3a】本発明による第２の実施の形態を示す図である。

【図3b】本発明による第２の実施の形態を示す図である。

【図3c】本発明による第２の実施の形態を示す図である。

【図4a】本発明による第３の実施の形態を示す図である。

【図4b】本発明による第３の実施の形態を示す図である。

【図4c】本発明による第３の実施の形態を示す図である。

【図5a】本発明による第４の実施の形態を示す図である。

【図5b】本発明による第４の実施の形態を示す図である。

【図5c】本発明による第４の実施の形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0032】

図１には本発明による位置検出装置が内部に配置された装置の概要が示されており、この装置は、例えば半導体製造装置が考えられる。また、このような装置は、機械構成部材２を有するフレーム１を備えて構成されている。ここで、この機械構成部材２として、例えば顕微鏡又はリソグラフィ対物レンズの形態の部材が考えられる。

【0033】

また、固定されたフレーム１あるいは機械構成部材２に対して少なくともｘ方向に変位するよう配置された粗位置決めテーブル３９と、該粗位置決めテーブル３９上に配置された精密位置決めテーブル２９が設けられている。この精密位置決めテーブル２９上には対象物２８が配置されており、この対象物２８は、固定された機械構成部材２に対して正確に位置決めされる必要がある。ここで、対象物２８の粗位置決めは粗位置決めテーブル３９によってなされ、同精密位置決め（最終位置決め）は精密位置決めテーブル２９によってなされるようになっている。なお、粗位置決めテーブル３９及び精密位置決めテーブル２９の積層状の配置は、見やすさの観点から図１において不図示のリニアアクチュエータによってなされる。

【0034】

固定された機械構成部材２には本発明の位置測定装置における反射式の測定尺１０が固定されており、該測定尺１０の検出面は、精密位置決めテーブル２９へ配向されている。また、測定尺１０は、互いに異なる光学的な反射特性を有する複数の分割領域のｘ方向又はｘ方向及びｙ方向へ周期的な配置で構成されている。例えば、測定尺１０を一次元又は二次元の照射位相部分（Ａｕｆｌｉｃｈｔ−Ｐｈａｓｅｎｔｅｉｌｕｎｇ）として形成することが考えられる。

【0035】

以下では、分かりやすさの観点から、測定方向ｘの一次元の測定尺１０を用いて説明する。この測定尺１０により、機械構成部材２に対する対象物２８の測定方向ｘへの相対変位が検出可能となっている。なお、ｘ方向への測定に加えて、これに直角なｙ方向へそ位置測定が必要な場合には、測定尺１０を二次元の格子状に形成することも当然可能である。

【0036】

測定尺１０の下方に配置された精密位置決めテーブル２９には本発明による位置測定装置の検出ユニット２０が配置されており、この検出ユニット２０は、少なくとも１つの再帰反射器を含んで構成されている。また、精密位置決めテーブル２９の下方には粗位置決めテーブル３９が本発明による位置測定装置の信号ユニット３０と共に配置されており、この粗位置決めテーブル３９は、少なくとも１つの光源と検知装置を備えている。なお、検出ユニット２９と信号ユニット３０は図１において非常に簡略化されて示されており、これらに関する詳しい説明については他の図面を参照しつつ後述する。

【0037】

しかして、図１に示すように、本発明による位置測定装置における可動ユニット、すなわち検出ユニット２０及び信号ユニット３０のうち粗位置決めテーブル３９に配置された信号ユニット３０のみが後置の固定された装置の構成部材すなわちフレーム１又はこのフレーム１に結合された機械構成部材にケーブルコネクタ４０．１，４０．２を介して接続されている。したがって、精密位置決めテーブル２９に配置された検出ユニット２０にはいかなるケーブルコネクタも、これに伴い必要となる機械的な結合部材も配置されていない。

【0038】

また、ケーブルコネクタ４０．１，４０．２を介して信号ユニット３０への給電及び／又は本発明による位置測定装置によって生成される位置に応じた検出信号の後置された解析ユニット（不図示）への供給がなされるようになっている。なお、この解析ユニットは、検出信号に基づいて対象物２８の正確な位置決めを装置内で制御するものである。

【0039】

＜実施の形態１＞
図１に示す装置内で使用される本発明による位置測定装置の第１の実施の形態を図２ａ〜図２ｃに基づいて説明する。ここで、図２ａ，図２ｂがｘ−ｚ平面内における部分的な検出光路を示している一方、図２ｃはｙ−ｚ平面内における部分的な検出光路を示している。

【0040】

図２ａには信号ユニット１３０における光源１３１から検出ユニット１２０内の再帰反射器１２１に至る検出光路が示されており、図２ｂには検出ユニット１２０内の再帰反射器１２１から検知装置における光電式検知部材１３４．１〜１３４．３に至る検出光路が示されている。

【0041】

まず、本発明による光学的な位置測定装置の第１の実施の形態における検出光路について図２ａ〜図２ｃに基づいて説明する。

【0042】

例えばレーザダイオードである光源１３１から発出された線形に偏光されたビームは、コリメータレンズ１３２によってコリメートされる。すなわち、前記ビームは、平行なビームへ調整される。ここで、光源１３１及びコリメータレンズ１３２は信号ユニット１３０内に配置されている。コリメートされたビームは、自由ビーム（Ｆｒｅｉｓｔｒａｈｌ）として、屈折せずに信号ユニット１３０から、構造上分離された検出ユニット１２０を測定尺１１０方向へ通過する。そして、このビームは、第１回目として第１照射箇所Ｐ１において測定尺１１０へ照射される（至る）。この第１回目のビームの測定尺１１０への照射において、入射してきたビームの２つの部分ビームへの分割がなされ、これら２つの部分ビームは、それぞれ＋１及び−１の回折等級（Ｂｅｕｇｕｎｇｓｏｒｄｎｕｎｇ）として検出ユニット１２０方向へ反射される。

【0043】

そして、この反射された部分ビームは、検出ユニット１２０において、まず、検出プレート１２３上に配置された透過性の検出格子１２２．１，１２２．２を通過する。そして、両部分ビームは、この検出格子１２２．１，１２２．２により互いに平行にされ、再帰反射器１２１へ至る。この再帰反射器１２１は、本実施の形態においては、例えば屋根型プリズムの形態の屈折要素として形成されており、そのルーフエッジ（Ｄａｃｈｋａｎｔｅ）は測定方向ｘへ配向されている。この再帰反射器１２１によって、部分ビームは互いにｙ方向へずらされるとともに再び入射方向へ反射される。そして、これら部分ビームは、検出プレート１２３における検出格子１２２．１，１２２．２に新たに照射される。屋根型プリズムは、そのルーフエッジの測定方向ｘ及びｙ方向への設定により、再帰反射器としての機能を果たすものである。

【0044】

そして、両部分ビームは、検出格子１２２．１，１２２．２によりシステム全体の光軸方向へ屈折され、測定尺１１０における第２照射箇所Ｐ２に照射される。ここで、例えば図２ｃに示すように、第２照射箇所Ｐ２は、第１照射箇所Ｐ１に対してｙ方向にずらされている。また、各部分ビームは、測定尺１１０において第２回目として照射される前に、検出ユニット１２０においてλ／４板の形態の偏光部材１２３．１，１２３．２を通過する。そのため、一方の部分ビームが左円偏光され、他方の部分ビームが右円偏光される。

【0045】

測定尺１１０における第２照射箇所Ｐ２においてここに照射される各部分ビームが重なり合い、これら部分ビームは、干渉し合う対としてｚ方向へ検出ユニット１２０に向けて反射される。互いに干渉し合う部分ビームの対は、屈折することなく検出ユニット１２０を通過し、自由ビームとして検出ユニット１２０から信号ユニット１３０へ至る。本実施の形態においては、互いに干渉し合う部分ビームの少なくとも１つの対が、両部分ビームの互いに直角な円偏光を伴って同一線上で検出ユニット１２０から信号ユニット１３０へ至る。

【0046】

信号ユニット１３０においては、互いに干渉し合う部分ビームの対がまず透過性の分割格子１３１へ照射されてここで３つの更なる部分ビームへ分割される。ここで、この３つの部分ビームは互いに異なる方向へレンズ１３５に向けて進み、このレンズ１３５によって、これら部分ビームの後置の光電式検知部材１３４．１〜１３４．４への焦点合わせ（フォーカス）がなされる。そして、３つの部分ビームは、レンズ１３５を通過した後、それぞれ光電式検知部材１３４．１〜１３４．３へ至る前に対応する偏光器１３３．１〜１３３．３を通過する。光電式検知部材１３４．１〜１３４．３においては、測定尺１１０と検出ユニット１２０／信号ユニット１３０の相対変位が生じる際には、互いに１２０°ずつ位相のずれた３つの検出信号が生成され、この検出信号は、解析ユニットにおいて処理される。

【0047】

本発明にとって重要なのは上述の実施の形態において説明したような信号生成に基づく検出光路ではなく、位置測定装置における様々な構成要素の様々なユニットあるいは検出ユニット１２０及び信号ユニット１３０での配置又はこれらユニットの相対的な配置である。

【0048】

光源１３１から発出されるビームが往路において測定尺１１０における第１照射箇所Ｐ１へ自由ビームとして信号ユニット１３０から検出ユニット１２０の方向へ通過し、第２照射箇所Ｐ２から検出装置への復路においては、互いに干渉し合う部分ビームが自由ビームとして検出ユニット１２０から信号ユニット１３０方向へ通過する。

【0049】

また、信号ユニット１３０と検出ユニット１２０の間の光軸に平行な自由ビームにより、検出信号を阻害することなくｚ方向に大きな取付公差（Ｍｏｎｔａｇｅｔｏｌｅｒａｎｚ）及び動作許容差（Ｂｅｔｒｉｅｂｓｔｏｌｅｒａｎｚ）を許容することができる。そのため、アクチュエータによって図１における精密位置決めテーブル２９を粗位置決めテーブル３９に対してｚ方向に調整できるようにすることが特に重要である。しかし、このとき生じる信号ユニット１３０と検出ユニット１２０のｘ方向及びｙ方向の変位（差）により光路差が生じてしまう。そこで、光電式検知部材１３４．１〜１３４．３の手前の適当な大きさのレンズ１３５により、互いに干渉し合う両部分ビームが常に完全に光電式検知部材１３４．１〜１３４．３に焦点合わせされるようになっている。焦点箇所は上述の光路差の影響を受けないため、レンズ１３５を介した焦点合わせにより、小さく、かつ、迅速な光電式検知部材１３４．１〜１３４．３を用いることが可能となる。

【0050】

さらに、本発明においては、検出ユニット１２０と信号ユニット１３０が互いに平行な平面内に配置されているとともに、前述の第１の実施の形態においては、これら平面が更に測定尺１１０の面とも平行となっている。ここでは、検出ユニット１２０と信号ユニット１３０の間での自由ビームの少なくとも一部の拡がり方向がそれぞれ上記平面に対して垂直となっている。

【0051】

後述の実施の形態による他の検出光路との関係においても使用することが可能なこのような手段により、上述したとおり、検出ユニットへ作用するの外力の最小化、抗変形性、サイズダウンなどの本発明による位置測定装置の利点を得ることが可能である。

【0052】

図２ａ〜図２ｃに示すように、信号ユニット１３０のケーブルコネクタ１４０．１，１４０．２による固定された機械構成部材との接続のみで足りる。そして、ケーブルコネクタ１４０．１によって光源１３１に給電がなされ、ケーブルコネクタ１４０．２によって検出信号を後置の固定された解析ユニットにおける光電式検知部材１３４．１〜１３４．３へ供給されることになる。これに対して、可動の検出ユニット１２０は固定された機械構成部材から完全に機械的に分離されている。

【0053】

特に、検出ユニット１２０と信号ユニット１３０の様々な設置平面を選択すること、及びこれらのユニットの間のそれぞれの光学要素を省略することが最小の光路を得るのに重要である。これにより、検出ユニット１２０及び／又は信号ユニット１３０の測定尺１１０に対する変形時のモーメント（Ｈｅｂｅｌａｒｍｅ）が最小化され、信号エラーも低減することが可能である。

【0054】

＜実施の形態２＞
本発明による位置測定装置の第２の実施の形態を図３ａ〜図３ｃに基づいて説明する。各部分ビームの光路の記載は、第１の実施の形態のそれぞれに対応している。なお、以下では、第１の実施の形態との重要な相違点についてのみ説明する。

【0055】

相違点の１つは、第２の実施の形態においては検出ユニット２２０における再帰反射器２２１の形成にある。ここでは、再帰反射器２２０が特許文献１において開示されているようなレンズ−ミラー−再帰反射器として形成されている。この再帰反射器２２０は透明かつ水平な載置部を含んで構成されており、この載置部上において、測定尺２１０と対向する側には第１レンズ部材２２２．１，２２．２及び第２レンズ部材２２２．３，２２２．４が配置されており、測定尺２１０とは反対側には反射器要素２２１．１，２２１．２が配置されている。第１レンズ部材２２２．１，２２２．２及び第２レンズ部材２２２．３，２２２．４は載置部に設けられた格子構造体あるいは回折レンズとして形成されており、反射器要素２２１．１，２２１．２は載置部に設けられた反射層として形成されている。ここで、この反射層の反射面側は、それぞれに対応したレンズ部材２２２．１〜２２２．４へ配向されている。

【0056】

また、第１レンズ部材２２２．１，２２２．２及び第２レンズ部材２２２．３，２２２．４は、部分ビームの通過の際にそれぞれ所定のレンズ効果を部分ビームへ作用させるものとなっている。

【0057】

図３ａに示すように、第１レンズ部材２２２．１，２２２．２により、部分ビームは、通過時に入射方向とは平行でない、測定方向ｘへ屈折する。これにより、両部分ビームは共にシステムの光軸に対して平行に配向される。また、第１レンズ部材２２２．１，２２２．２により、両部分ビームは、測定方向とは垂直に、各反射器要素２２１．１，２２１．２へ部分的に焦点合わせされる。

【0058】

第２レンズ部材２２２．３，２２２．４を通過する際には、これら第２レンズ部材２２２．３，２２２．４により、各部分ビームが測定方向ｘへ第２照射箇所Ｐ２に向けて屈折される。さらに、測定方向ｘに対して垂直に配向された通過するビームに対して少なくとも部分的にコリメートされた光学的な効果を生じさせる。

【0059】

第１レンズ部材２２２．１，２２２．２及び第２レンズ部材２２２．３，２２２．４は、本実施の形態においては、各レンズ部材２２２．１〜２２２．４とこれらに対応する反射器要素２２２１．１，２２１．２の間の距離に一致する焦点距離をそれぞれ有している。

【0060】

また、第１の実施の形態との他の相違点は、位相ずれ検出信号を検出するための位置測定装置の形成にある。図３ｂに示すように、測定尺２１０における第２照射箇所から検出ユニット２２０へ反射されつつ互いに干渉し合う部分ビームの対は、検出ユニット２２０において分割格子２２４により更なる部分ビームへ分割される。ここで、これら更に分割された部分ビームは、それぞれ自由ビームとして様々な角度で信号ユニット２３０方向へ照射される。また、信号ユニット２３０において、分割された部分ビームは、それぞれ偏光器２３３．１〜２３３．３を通過し、更にレンズ２３５．１〜２３５．３を介して後置の光電式検知部材２３４．１〜２３４．３へ焦点合わせされる。ここでも、これら光電式検知部材２３４．１〜２３４．３では、位相のずれた、位置に応じた検出信号が発生する。

【0061】

また、検出ユニット２２０と信号ユニット２３０の間のｚ方向の大きな取付公差及び動作許容差を許容するために、信号ユニット２３０へ戻る各自由ビーム間の角度が本実施の形態においては大きすぎるものとならない。したがって、これら自由ビームの光軸に対する角度は、可能な限り３０°を下回る。信号ユニット２３０又は検出ユニット２２０のｚ方向の変位が生じる場合でも、ｘ方向及びｙ方向に生じる変位は制限されたままとなる。また、レンズ２３５．１〜２３５．３は適切に大きな径を有する必要があり、これにより、部分ビームが許容される光路変位内で常に完全に光電式検知部材２３４．１〜２３４．３へ焦点合わせあるいは照射されることになる。このとき、場合によっては、３つのレンズ２３５．１〜２３５．３の代わりに、すべての部分ビームが共通に焦点合わせされる１つのレンズを用いてもよい。このとき、分離された各焦点位置は、自由ビームの異なる角度に割り当てられ、この各焦点位置には、それぞれ光電式検知部材２３４．１〜２３４．３が配置されている。また、このとき、偏光器２３３．１〜２３３．３は、光電式検知部材２３４．１〜２３４．３の手前に密集して配置されている。

【0062】

本発明による位置測定装置の第２の実施の形態における検出光路の更なる詳細については、特許文献１に記載されている。

【0063】

さらに、この第２の実施の形態における特に測定尺２１０を検出するのに必要な検出側の様々な構成要素の検出ユニット２２０及び信号ユニット２３０における配置、並びにこれらの相対的な配置の基本的な構造は、第１の実施の形態のものに対応している。

【0064】

＜実施の形態３＞
第２の実施の形態とわずかに異なる本発明による位置測定装置の実施の形態を実施の形態３として図４ａ〜図４ｃに基づいて説明する。これらの図には、第１及び第２の実施の形態における記載と同様の検出光路が示されている。なお、ここでも、第１及び第２の実施の形態と異なる点についてのみ説明する。

【0065】

第３の実施の形態においても、測定尺３１０における第２照射箇所Ｐ２から入射する互いに干渉し合う部分ビームの対が検出ユニット３２０における分割格子３２４を介して３つ部分ビームに分割され、これら３つの部分ビームは、それぞれ別の方向へ向かうようになっている。ここで、図４ｂにおいて左右へ屈折された部分ビームは、それぞれ検出ユニット３２０における後置された屈折格子３２２．１，３２２．２を通過する。そして、これら左右へ屈折された部分ビームは、この屈折格子３２２．１，３２２．２を通過することで、検出ユニット３２０を出た後で３つの部分ビームが互いに平行な自由ビームとして信号ユニット３３０へ至るよう、それぞれ光軸方向へ屈折される。これ以降の検出光路及び信号生成は、第２の実施の形態と同様であり、また、検出ユニット３２０における再帰反射器３２１のレンズ−ミラー−再帰反射器としての形成も第１及び第２の実施の形態と同様である。

【0066】

なお、この第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様にすべての自由ビームが光軸に対して平行となっているため、ｚ方向に特に大きな取付公差及び動作許容差を許容することが可能である。

【0067】

＜実施の形態４＞
最後に、本発明による位置測定装置の第４の実施の形態を図５ａ〜図５ｃに基づいて説明する。ここでも、これらの図には、第１〜第３の実施の形態における記載と同様の検出光路が示されている。

【0068】

この第４の実施の形態における第１〜第３の実施の形態との相違点は、検出ユニット４２０と信号ユニット４３０において構成部材を適当に配置することによって２つの分離された検出光路を形成するとともに、この検出光路によって測定尺４１０を検出する点にある。これら両検出光路は、変位方向ｘに対して垂直な平面に関して左右非対称となっているとともに、変位方向であるｘ方向及びこれに垂直なｚ方向への位置決めを可能とするものとなっている。結果として、合計６つの位相のずれた検出信号が得られ、これらに基づき、公知のように水平方向（ｘ方向）と垂直方向（ｚ方向）の変位が検出されることになる。なお、このような測定原理については、特許文献２に詳細に記載されている。

【0069】

また、本発明による位置測定装置において２つの分離された検出光路を形成するために検出ユニット４２０には分割要素４２６が分割格子の形態で設けられており、この分割格子は、再帰反射器４２１の載置部の上側に配置されている。この分割格子によって、信号ユニット４３０における光源４３１から入射するビームが２つの部分ビームに分割されることになる。そして、これら両部分ビームは、第１照射箇所Ｐ１ａ，Ｐ１ｂにおいて測定尺４１０へ照射される。その後の両検出光路について、信号ユニット４３０への再入射まではそれぞれ第２の実施の形態と一致する。なお、再帰反射器４２１はレンズ−ミラー−再帰反射器として形成されているが、ここでは、２つの検出光路が存在することを考慮して、再帰反射器４２１において必要なレンズ部材４２２．１ａ〜４２２．４ａ，４２２．１ｂ〜４２２．４ｂの数量が２倍となっている。また、これらレンズ部材４２２．１ａ〜４２２．４ａ，４２２．１ｂ〜４２２．４ｂの光学的な効果は、各検出光路において第２の実施の形態と基本的に同様となっている。

【0070】

しかして、各検出光路において、第２照射箇所Ｐ２ａ，Ｐ２ｂからそれぞれ互いに干渉し合う部分ビームの対が自由ビームとして検出ユニット４２０から信号ユニット４３０方向へと照射される。そして、信号ユニット４３０において互いに干渉し合う部分ビームの両対は、それぞれ分割格子４３４．ａ，４３４．ｂへ至り、そこで第１の実施の形態と同様に３つの更なる部分ビームへ分割されて、それぞれレンズ４３５．ａ，４３５．ｂ及び複数の分析器４３３．１ａ〜４３３．３ａ，４３３．１ｂ〜４３３．３ｂを介して６つの光電式検知部材４３４．１ａ〜４３４．３ａ，４３４．１ｂ〜４３４．３ｂへと供給される。そして、これら光電式検知部材４３４．１ａ〜４３４．３ａ，４３４．１ｂ〜４３４．３ｂにより、位相のずれた検出信号が検知されることになる。本実施の形態において、検出側には２つの検出光路のために２つの検出装置が設けられており、これら検出装置によって、それぞれ複数の位相のずれた検出信号が生成されることになる。

【0071】

本実施の形態においても検出ユニット４２０及び信号ユニット４３０のｚ方向の取付公差及び動作許容差をできる限り大きく許容するために、検出ユニット４２０から信号ユニット４３０へ照射される自由ビームを第１〜第３のいずれかの実施の形態と同様に光軸に対してｚ方向に最大で３０°の角度をなすようにするのが好ましい。

【0072】

なお、本実施の形態において、検出光路が異なっていても、検出ユニット４２０及び信号ユニット４３０についての上述の手段を変更（置換）することができる。

【0073】

ところで、上述のように詳細に説明した実施の形態以外にも、本発明において他の実施の形態も考えられる。

【0074】

例えば、本発明による位置測定装置の光源を信号ユニットの外部に設けることが考えられ、この場合、外部に設けられた光源から信号ユニットへの導光は、光ファイバによってなされる。信号ユニットにおいて、この光ファイバの光導出面が光源としての役割を果たす。また、この光ファイバを、偏光特性を有するシングルモード光ファイバとして形成するのが好ましい。そして、光源を外部に配置することにより、信号ユニットにおける不都合な熱の発生を回避することが可能である。

【0075】

さらに、光電式検知部材も信号ユニットの外部へ収容することが可能である。この場合、信号ユニットには、光電式検知部材の代わりにマルチモード光ファイバが設けられ、その入射カット面は、各部分ビームの焦点箇所に配置される。したがって、光ファイバの入射カット面は、信号ユニットにおいて検出要素としての機能を果たすことになる。そして、マルチモード光ファイバの他端では、外部に配置された光電式検知部材がそれぞれ伝達するビームが受け取られる。このように検知部材を外部に配置することで、熱を発生するプリアンプ（Ｖｏｒｖｅｒｓｔａｅｒｋｅｒ）を信号ユニットに収容する必要がなくなる。

【符号の説明】

【0076】

１ フレーム
２ 機械構成部材
１０ 測定尺
２０ 検出ユニット
２８ 対象物
２９ 精密位置決めテーブル
３０ 信号ユニット
３９ 粗位置決めテーブル
４０．１，４０．２ ケーブルコネクタ
１１０ 測定尺
１２０ 検出ユニット
１２１ 再帰反射器
１２２．１，１２２．２ 検出格子
１２３ 検出プレート
１２３．１，１２３．２ 偏光部材
１３０ 信号ユニット
１３１ 光源
１３２ コリメータレンズ
１３３．１〜１３３．３ 偏光器
１３４，１〜１３４．４ 光電式検知部材
１３５ レンズ
２１０ 測定尺
２２０ 検出ユニット
２２１ 再帰反射器
２２１．１，２２１．２ 反射器要素
２２２．１，２２２．２ 第１レンズ部材
２２２．３，２２２．４ 第２レンズ部材
２２４ 分割格子
２３０ 信号ユニット
２３３．１〜２３３．３ 偏光器
２３４．１〜２３４．３ 光電式検知部材
２３５．１〜２３５．３ レンズ
３１０ 測定尺
３２０ 検出ユニット
３２１ 再帰反射器
３２４ 分割格子
３２２．１，３２２．２ 屈折格子
３３０ 信号ユニット
４１０ 測定尺
４２０ 検出ユニット
４２２．１ａ〜４２２．４ａ レンズ部材
４２２．１ｂ〜４２２．４ｂ レンズ部材
４２６ 分割要素
４３０ 信号ユニット
４３１ 光源
４３５．ａ，４３５．ｂ レンズ
４３３．１ａ〜４３３．３ａ 分析器
４３３．２ｂ〜４３３．３ｂ 分析器
４３４．ａ，４３４．ｂ 分割格子
４３４．１ａ〜４３４．３ａ 光電式検知部材
４３４．１ｂ〜４３４．３ｂ 光電式検知部材
Ｐ１，Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ 第１照射箇所
Ｐ２，Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ 第２照射箇所

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図5a】

【図5b】

【図5c】