位置測定装置
【課題】少なくとも一つの測定方向で互いに可動自在で配置されている二つの対象物の、位置を検出するための位置測定装置を提供する。
【解決手段】位置測定装置には光源および、光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段を含んでいる。分光光束は、少なくとも二つの分光光路を通過する。分光光路からの干渉分光光束が、多数の光電式検知要素に当たるので、変位に従う位置信号を検知要素を介して検出することができる。光源は、ファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザとして構成されている。
【解決手段】位置測定装置には光源および、光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段を含んでいる。分光光束は、少なくとも二つの分光光路を通過する。分光光路からの干渉分光光束が、多数の光電式検知要素に当たるので、変位に従う位置信号を検知要素を介して検出することができる。光源は、ファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザとして構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品を製造するための装置では、相互に可動である特定部品の空間位置を、適切な位置測定装置を使って精密に特定することが必要である。それにより、求めた位置情報によって、この装置ではコンピュータ制御による動作制御が可能である。このために従来は必要な位置測定を圧倒的に、多数のレーザ干渉計を使って行っていた。今後は種々の部品の動作速度が速くなると同時に、位置測定での精度要求が更に増大することが前提となる。そこで生じる高精度要求では、最早レーザ干渉計を位置測定装置として使用することができない。最適な空調がされている時でも位置測定では、周囲の空気中における屈折率変動が許容できない測定値変動を招き、それは数ナノメータ（ｎｍ）の大きさレベルにある。
【０００３】
以上の理由から既に当該種類の装置用に、代替となる位置測定装置が提案されている。例えばＥＰ １ ０１９ ６６９ Ｂ１号公報で、二次元基準尺として所謂十字格子を有する光学的位置測定装置を使用することが公知である。以下において当該種類の位置測定装置を、格子ベースの位置測定装置とも呼ぶことにする。このシステムは、場合による空気の屈折率変動に殆ど影響されず、よって良好に再現できる位置測定を可能にする。
【０００４】
ナノメータ範囲にある必要分解能を生み出す基準尺として格子を有する光学的位置測定装置は、一般的に干渉による走査原理に基づいている。この場合に通常、適切な光源の光線が少なくとも二つの干渉用分光光束に分割され、それが後にそれぞれの分光光路にある多数の格子に当たり、そして再び集束して干渉する。最終的に目的の位置情報は、干渉する両分光光束の（変位に従う）位相状態により得られる。両分光光束に対して結果として生じる分光と再集束間における光路長の差異は、この種のシステムの対称的な分光光路では一般的に殆どゼロである。よって、希望する干渉を検知側で保証するためには、使用する光の僅かな干渉長さで充分である。
【０００５】
ＤＥ １０ ２００５ ０４３ ５６９ Ａ１号公報では、二つの分光光束用に主として非対称の分光光路を有する別の干渉式位置測定装置が提案されている。即ち、この非対称性により経路長の差異が、干渉に至る分光光束にとって最大数ミリメータ（ｍｍ）の大きさレベルになる。使用する光で必要な干渉長さに関してこれが意味することは、干渉長さが数ミリメータ（ｍｍ）から数センチメータ（ｃｍ）までの範囲になければならず、そうでない場合には重なり合うことになる分光光束の干渉が不可能であるということである。高精密の位置測定装置において上記で論議した要求を基本的に満たす光源は、本出願人によるＤＥ １０ ２００６ ０４１ ３５７ Ａ１号公報で公知である。これは、１ｍｍ〜１ｃｍ範囲の大きな干渉長さを有する半導体レーザとして構成されており、それがパルス的にシングルモード駆動で作動する。適切な半導体レーザとしては、例えば所謂ＤＦＢ半導体レーザ、またはＤＢＲ半導体レーザも検討対象になる。この文献で提案されている光源は、干渉長さに関する要求を基本的に満たしているが、特に高い光学的性能を必要とする時には一定の技術的工数を必要とする。
【０００６】
光源に対する基本的に類似の要求は一般的に、位置測定装置がパルス的に駆動する干渉計として構成されている時にも生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって本発明の課題は、高精密な位置測定をする位置測定装置を示すことであり、その時にパルス駆動を可能にする、出来るだけ簡単な光源を使用するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によればこの課題を、請求項１に記載の位置測定装置により解決する。
本発明による位置測定装置で利点がある構成の可能性は、従属請求項に記載の特徴により得られる。
【０００９】
少なくとも一つの測定方向で互いに可動自在で配置されている二つの対象物の、位置を検出するための本発明による位置測定装置には、光源および、光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段を含んでいる。分光光束は、少なくとも二つの分光光路を通過する。分光光路からの干渉分光光束が多数の光電式検知要素に当たるので、検知要素を介して変位に従う位置信号を検出することができる。光源は、ファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザとして構成されている。
【００１０】
可能性のある実施形態では半導体レーザが、ファブリ・ペロー型レーザとして構成されている。
ファイバ格子逆カップリング手段には、次の部品を含んでいることがある：
−半導体レーザの出力側前部ファセットの前に配置された集束光学系
−集束光学系の後に配置された光ファイバ
−光ファイバに内蔵された反射ブラッグ格子
ファイバ格子逆カップリング手段が、その波長的な反射特性に関して半導体レーザのモード間隔に一致していると利点がある。
【００１１】
そこで、隣接する半導体レーザモードの間隔より小さく選ばれている波長範囲にある光線が、ファイバ格子逆カップリング手段により半導体レーザに逆反射されると好ましい。
半導体レーザおよび／又はファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段と繋がっているようにしていることがあり、それを介してファイバ格子逆カップリング手段の反射特性を半導体レーザのモード状態に一致させる。
【００１２】
半導体レーザおよびファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段と繋がっていると利点があり、それを介して半導体レーザとファイバ格子逆カップリング手段を、変位に従う位置信号の位相ズレが最小である温度で駆動できる。
【００１３】
温度調節手段には例えば、温度調整要素および温度制御装置を含んでいる。
光ファイバは、シングルモード光ファイバとして構成されていると好ましい。
半導体レーザは、〜１２ｍｍ範囲にある干渉長さを有していることがある。
【００１４】
そこで半導体レーザは、２０ｎｓ〜２００ｎｓの範囲にあるパルス時間を有する光パルスを発振することができる。
分光光束が重なり合って干渉する前に分光光束の通過する分光光路が、異なった光学的経路長さを有して非対称で構成されているものとすることができる。
【００１５】
そこで基準尺に相対的に可動自在である走査ユニットを設けていることがあり、その時に光源が走査ユニットから離れて配置されており、そして光源が光ファイバを使って走査ユニットと接続されている。
【００１６】
しかし代替として、位置測定装置が干渉計として構成されている場合もある。
本発明による位置測定装置には、ここで設けている光源により一連の利点が得られる。
そこでは光源の大きな出力時にも同時に、１センチメータを超えるまでの特に大きな干渉長さ使用できる。このことは、干渉することになる分光光束に対して明らかに大きな経路差が可能であるので、本発明による位置測定装置の干渉式走査原理にとって利点のある成果が得られる。そして許容される経路差が、数ミリメータ〜１センチメータにあることがある。このことにより特に、著しく非対称な分光光路を有する位置測定装置の構成が可能になり、その装置では色々な分光光路にある光が、明らかに異なった光学的経路長を進む。分光光路において許容できる経路差が大きいことは、傾斜許容度に関しても利点を有して作用する。よって本発明により構成された位置測定装置に対して、従来のケースと較べて明らかに大きな傾斜許容度を許容できる。
【００１７】
別の利点として、温度安定化のための僅かな工数のみで、光源の高い波長安定性が結果として得られることが挙げられる。それにより、著しく波長に関係する走査原理を使った位置測定装置も、長期間に亘って安定して運転することができる。本発明による位置測定装置が干渉計として構成されている時に特に、位置特定時に高い測定精度が得られる。
【００１８】
更に光源のパルス駆動により、例えば所謂メモリジッタにより起きることのある測定誤差を回避できることが、高出力時でも同時に保証される。ここで云う誤差は、測定と本来の位置測定値出力間の時間に基づいて生じる誤差と解釈する。本発明による位置測定装置のパルスによる駆動との関連で詳しくは、本出願人による特許文献４を参照されたい。
【００１９】
本発明の別の利点および詳細は、実施例について添付の図面を使った以下の説明から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による位置測定装置ないし本発明による方法の第一実施例を説明するための概略図。
【図２】本発明による位置測定装置の第二実施例の概略図。
【図３】本発明による位置測定装置用に適した光源の著しく概略化した図。
【図４】ファブリ・ペロー型レーザのモード形状と図３による光源の反射ブラッグ格子の反射特性の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による位置測定装置の第一実施例の概略図を図１で示しており、そこで装置が、格子として構成された基準尺を有している。従って図示の第一実施例は、格子ベースの位置測定装置として構成されている。
【００２２】
図示の位置測定装置には基準尺１０の他に、少なくとも相対的に測定方向ｘで可動の走査ユニット２０、および走査ユニット２０から離れて配置された光源２１を含んでいる。基準尺１０と走査ユニット２０は、二つの−図示していない−対象物と繋がっており、その互いの位置を測定することになる。最初に述べたように、ここでは例えば半導体構成要素を製造する装置で互いに相対的に可動する構成部品が対象になる。
【００２３】
提示の例では基準尺１０が直線の反射基準尺として構成されており、異なった反射率を測定方向ｘで交互に配置した範囲でできている。
変位に従う位置信号を発生する走査側要素を、以下において走査手段とも呼ぶことにする。これには光源２１の他に、更に種々の別の光学的および／または光電的構成要素を含んでいる。これらの構成部品は、例えば走査ユニット２０の中に配置されている、および／または例えば適切な光ファイバ等を介してそれと適切な有効接続状態としていることもある。走査手段の機能を説明するために以下において、図１で示す実施例の走査光路を追跡することにする。ここでまず代替の走査光路も勿論、本発明の範疇で実現できることを示唆しておきたい。
図１の例において、光パルスの形態で光源２１から発光された光束が、光ファイバ２を介して走査ユニット２０に送られる。特に適切な光源の詳細に関しては、後の説明を参照されたい。集束レンズ２２を介して光パルスないし光束が方向転換ミラー２３に到達して、これを方向転換ミラーが基準尺１０の方向に方向転換する。そして光束は、走査ユニット２０の下側にある走査プレート２４の透明範囲を通過して、基準尺１０の方向に伝播する。そこで光束は最初の衝突で、＋１と−１次の二つの分光光束に曲げられる又は分光され、そして走査ユニット２０の方向に逆反射される。以上により提示の実施例では基準尺１０が、光源２１から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段として機能する。そして分割された分光光束は、その分光光路でそれぞれ走査プレート２４にある走査格子２５．１，２５．２を通過し、後に配置された反転反射要素２６．１，２６．２を介して、再び基準尺１０の方向に逆方向転換される；その方向転換された分光光束を図では破線で図示している。反転反射要素２６．１，２６．２として機能するのは、例えば適切なプリズム、方向転換ミラーの組み合わせ、または同等品である。分光光束は、走査プレート２４にある−図示していない−第二走査格子を改めて通過してそこで方向を変えた後に、基準尺１０に再度衝突する；尚、図１で逆向きになった分光光束の図示は概略的にのみ示している、即ち、特に基準尺１０への再度の衝突は、完全に正しくは図示されていないことを示唆しておきたい。基準尺１０上で分光光束が改めて曲げられて、平行な分光光束のペアが走査ユニット２０方向に伝播する。走査ユニット２０の中で分光光束が、走査プレート２４にある別の走査格子２５．３に当たり、そこで三つの空間方向への三ペアの干渉分光光束の分割が行われる。走査ユニット２０内で該当する空間方向には、分光光路からの干渉分光光束が当たる三つの検知要素２７．１，２７．２，２７．３が配置されているので、検知要素２７．１，２７．２，２７．３を介して変位に従う位置信号を検知することができる。検知要素２７．１，２７．２，２７．３には、位相のずれた位置信号がかかっている；このとき位相のズレは一般的に１２０°である。
【００２４】
走査ユニット２０Hの中で図示している検知要素２７．１〜２７．３の代替配置として、光源２１のように検知要素を空間的にそれから分離して配置し、検知する分光光束を検知要素に光ファイバを介して送ることも可能である。同様に、説明した変形例に対する代替として別の数の位相がずれた位置信号、例えば二つまたは四つのそれぞれ９０°位相がずれた位置信号をつくり出すようにすることもできる。
【００２５】
本発明による位置測定装置の提示している実施例では、それぞれの分光光路において基準尺１０上での第一および第二反射間の分光光束が、明らかに異なった光学的経路長Ｌ１とＬ２、即ちＬ１≠Ｌ２を通過する；これを図１では大まかにのみ示している。以上により、干渉することになる分光光束にとって明らかに異なった光学的経路長を有する非対称の分光光路が現れる。この非対称が理由となって、位置特定するための干渉信号を検知側で評価する時に、使用する光源２１の干渉長さが大きいことに関して先に論議した要求が出てくる。
【００２６】
本発明による位置測定装置の光源を図３と４を使って細かく述べる前に、図２を使って本発明による第二実施形態を説明することにする。図２も同じく、当該位置測定装置を著しく概略化した図を示している。図２で図示の実施例も、基準尺を有する格子ベースの位置測定装置として構成されている。
【００２７】
図２でも同じく、基準尺１００に対して少なくとも一つの測定方向Ｘで可動自在で配置されている走査ユニット２００を示している；光源２０１から発光された光パルスは、同じく光ファイバ２０を介して走査ユニット２００に送られる。
【００２８】
図示している位置測定装置の第二実施形態は、図１による例との違いとして、規定された測定方向ｘにおける相対移動を検知するだけでなく、加えてこれに直角な方向ｚにおける位置を同時に特定することができる。それにより更に、基準尺１００と走査ユニット２００間の間隔も特定できる。
【００２９】
その目的のために走査ユニット２００には、図２で概略的に示すように、図１による例で説明したような当該走査光路を二つ含んでいる。図２において二つの走査光路には、エンコーダＡとエンコーダＢの表示が設けられている。従って二つの走査光路のいずれもが原理的に、図１の例における走査光路ように構成されている。分割された分光光路にできる光学的経路長Ｌ１，Ｌ２に関して特に、これがそれぞれ明らかに異なっていること、即ち、又もやＬ１＜Ｌ２であることが当て嵌まる。
【００３０】
走査ユニット２００から分離して配置された光源２０１から入力側に送られた光パルスは、光ファイバ２０を介して走査ユニット２００に送られ、そして分光光学系２０２を介して二つの走査光路に分割される；理解し易くするために、二つの走査光路の詳細を図示することは行っていない。走査手段に数えられる光学的部品は、図２において走査ユニット２００の中で概略化してブロック２１０として示している。同様に概略的なブロックとしてのみ示しているのは、同じく走査手段に数えられる光電式検知要素２０７Ａ，２０７Ｂである。そしてこの検知要素２０７Ａ，２０７Ｂを介して検出された位置信号は、更に処理するために−図示していない−評価ユニットに送られる。
【００３１】
走査光路の詳細に関しての詳しくは、ここでも本出願人による特許文献２を参照されたい。
本発明による位置測定装置の第二実施形態においても、高精密測定に対して特別な利点を提供する特別に選んだ光源が使用され、それを以下において図３と４を使って詳細に説明する。
【００３２】
本発明による位置測定装置で今まで説明した二つの実施例には、実体的に構成された基準尺としてそれぞれ格子を含んでおり、それが走査光路に配置されている。変位に従う位置信号をつくり出すことは、それぞれ干渉による走査原理に基づいている。その場合に光源から送られた光線が、分光手段を介して少なくとも二つの分光光束に分割され、その分光光路において引き続いて一つまたは複数の格子に当たり、その後に再び集束して干渉する。関心のある位置情報は、干渉分光光束の変位に従う位相状態により得られる。
【００３３】
本発明による位置測定装置の第三実施形態として、実体的に構成された基準尺としての格子を含まない公知のレーザ干渉計として、これを構成しているようにすることもある。このケースでは、同じく分光手段を介して適切に分割された分光光束が、公知の形式と方法で測定光路と参照光路の形態にある分光光路を通過する。通常は可動の対象物が測定光路にあるリフレクタ要素と繋がっており、他方で参照光路には静止したリフレクタ要素が配設されている。分光光束は、それぞれ測定光路と参照光路の分光光路を通過後に干渉して、光電式の検知要素を介して変位に従う位置信号を発生する。前記で詳細に説明した実体的に構成された基準尺を備えた実施例と同様に、レーザ干渉計のケースでも基準となる位置情報は、再び干渉のために重ね合わされた分光光束の変位に従う位相状態から得られる。このような本発明による位置測定装置の実施形態でも、以下において図３と４を使って詳細に説明するような光源を使用することができる。
【００３４】
本発明による位置測定装置では、光源２１としてファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザを使用するようにしている。その光源２１は、パルス的にシングルモード運転で作動し、干渉長さの大きな光線を送り出す。３００ｍＷ以上のパルス出力と１２ｍｍ以上の干渉長さで２０ナノ秒〜２００ナノ秒のパルス時間を達成できる。光源２１の干渉長さに対する代表的な値は、約５００ｍＷのパルス出力時で１０ｍｍ近辺にある；半導体レーザが８−１２ｍｍ範囲の干渉長さを有していると好ましい。パルス出力を更に下げて同時にパルス時間を増加すると、干渉長さを更に大きくすることができる。
【００３５】
よって著しく非対称の分光走査光路の場合にも、上記で説明した二つの例におけるように、基準尺で第二の曲げが行われ集束した後に、検知要素の方向に平行に伝播する二つの分光光束の干渉が保証される。
【００３６】
更に当該測定課題は、例えば基本的に文献４で公知であるように、パルスによる走査方法の使用を必要とすることがある。このような形式と方法により、走査時点が光パルスによってのみで特定されている、即ち、既に上記で言及したメモリジッタおよび位置特定時にそれから発生する測定誤差を、パルスによる走査方法では回避できる、又は少なくとも減少できる。
【００３７】
光源２１用に設けている半導体レーザ２１．２は、−図３で概略的に図示しているように−適切なレーザケース２１．１の中に配置されているファブリ・ペロー型レーザで構成されていると好ましい。ファブリ・ペロー型レーザ２１．２は、適切な半導体材料の形態にある本来のレーザ媒体および、高反射性で構成の後部ファセット２１．３（Ｒ≒９９％）と非反射性の前部ファセット２１．４（Ｒ≒＜０．１％）で出来ている；よって、ファブリ・ペロー型レーザ２１．２の二つの端面ないしファセットが、ファブリ・ペロー共振器を構成しており、可能性ある多数のレーザモードを励起する。ファブリ・ペロー型レーザ２１．２から発光されたレーザ光線は、出力側の前部ファセット２１．４の前に配置された集束光学系２１．５を介して、光ファイバ２１．に集束される。光ファイバ２１．の中には反射ブラッグ格子２１．９が内蔵されており、それが特定の波長領域でのみ光線をファブリ・ペロー型レーザ２１．２の方向に逆反射する。従って、光源２１の側で上記のファイバ格子逆カップリング手段に属するのは、集束光学系２１．５、光ファイバ２１．、および反射ブラッグ格子２１．９である。光源２１によりつくり出された光線が、既に図１で明示したように光ファイバ２を介して、本発明による位置測定装置の走査ユニットに送られる。
【００３８】
光源２１には結合された二つのレーザ共振器、即ち一つは内部の、そして一つの外部のレーザ共振器を含んでいる。内部レーザ共振器ないしファブリ・ペロー共振器は、後部ファセット２１．３と前部ファセット２１．４により構成され、外部レーザ共振器は、後部ファセット２１．３と反射ブラッグ格子２１．９により構成されている。
【００３９】
反射ブラッグ格子２１．９は、狭い波長領域でのみ光線をファブリ・ペロー型レーザ２１．２に逆反射するように構成されている。ここで反射ブラッグ格子２１．９それによりファイバ格子逆カップリング手段の波長に関係する反射特性は、ファブリ・ペロー型レーザ２１．２のモード間隔に一致している。そしてファブリ・ペロー型レーザ２１．２の隣接するモード間隔より小さい波長領域にある光線のみが、ファイバ格子逆カップリング手段によりファブリ・ペロー型レーザ２１．２へ確実に逆反射される。この関係を、図４を使って説明することにする。そこでは一定の波長領域に亘って、使用するファブリ・ペロー型レーザ２１．２で得られるモードスペクトルおよび反射ブラッグ格子２１．９の反射特性ないし反射バンド幅を著しく概略化して図示している。
【００４０】
ここでファブリ・ペロー型レーザ２１．２のモード間隔に反射ブラッグ格子２１．９の反射特性が一致していることにより、本発明による位置測定装置の光源をパルス的に駆動することができ、それにより僅かな位相ズレのみで位置測定が可能となる。
【００４１】
反射ブラッグ格子２１．９を介して内部レーザ共振器は、数ナノ秒以内で安定する固定レーザモードでの運転に常に強制される。そこで光源はシングルモード駆動で作動する。数ピコメータ範囲で反射ブラッグ格子２１．９の反射特性ないし反射帯域幅を選んでいることにより、本発明による位置測定装置の光源２１は、非常に狭いスペクトル範囲（発光波長１μｍおよび干渉長さ１０ｍｍの時にスペクトル幅１００ｐｍ）で発光する、即ち、それに従って光源２１の干渉長さが−提示の応用で望まれるように−比較的大きい。このような形式と方法により−既に上述したように１０ｍｍ以上の干渉長さを達成できる。
【００４２】
同じく先に述べたように、ナノメータ範囲にある測定精度での高精密の位置測定に対しては、示される位相ズレの少ないことが必要である。そうでなければ、存在する位相ズレが位置ズレに変換されるであろうし、それにより位置測定の精度が影響を受けて望ましくない。反射ブラッグ格子２１．９とその反射特性を介して、反射ブラッグ格子２１．９なしで自由駆動する半導体レーザの固有モードに相当しない半導体レーザの駆動状態を狙って選択できる。この固有モードでは大きな位相ズレを示すであろう；図４では、その種の−準最適の−範囲２をハッチングでマーキングしている。しかしながら、自由駆動する半導体レーザの固有モードを反射ブラッグ格子２１．９を使うことにより狙って抽出できる時には、位相ズレを狙って少なくすることができ、それを図４においてハッチングでマーキングした範囲１で明示している。以上により半導体レーザは、反射ブラッグ格子２１．９を介してシングルモード駆動で強制される。従って本発明による位置測定装置において使用するために重要なことは、使用する半導体レーザのレーザモードの波長に関係する状態が、反射ブラッグ格子２１．９の反射最大値に狙って一致されることである。この一致させることは、レーザモードの波長に関係する状態や反射ブラッグ格子２１．９の反射特性が温度に関係することにより、半導体レーザ２１．２および／またはファイバ格子逆カップリング手段が結合されているないし接続状態にある温度調節手段２１．６，２１．７を使って行う。図３では、この温度調節手段２１．６，２１．７を非常に簡略化してのみ示しており、図示している例では半導体レーザ２１．２にもファイバ格子逆カップリング手段にも、温度調節手段２１．６，２１．７を有効な接続状態で関連配置している。ファイバ格子逆カップリング手段の側では、特にその反射特性を適切に合わせるために、設けた温度調節手段２１．６，２１．７を少なくとも反射ブラッグ格子２１．９に作用させねばならない。
【００４３】
提示の例において温度調節手段２１．６，２１．７には、ペルチェ素子として構成する温度調整要素２１．６ａ，２１．７ａおよび、ソフトウエアおよび／またはハードウエアにより公知の形式と方法で構成していることのある温度制御装置２１．６ｂ，２１．７ｂを含んでいる。
【００４４】
温度調整要素２１．６，２１．７は、その代替として例えば加熱フィルムの形態をした加熱要素として、あるいは制御自在の水冷または温水加熱として構成することもできる。更に、両方の温度調整要素２１．６ａ，２１．７ａを、単一の温度制御装置を使って適切に狙って調整する、あるいは共通利用する単一の温度調整要素を設けて、それを温度制御装置を介して適切に調整するようにもできるであろう。
【００４５】
可能性のある実施形態では例えば半導体レーザの温度を、適切な温度調整要素を介して２５ｍＫの安定性で２０℃〜４０℃の範囲に調整するが、そのためには通常、半導体レーザの加熱が必要である。反射ブラッグ格子２１．９の温度は約２２℃に調整するが、それを例えば適切な水冷形態をした温度調整要素を介して行う。
【００４６】
本発明による位置測定装置で本来の測定駆動をする前に、位相ズレが最小化されている最適作動ポイントに光源２１ないし半導体レーザを設定することが必要である。そのためには種々の対処方法がある。
【００４７】
第一の例では温度調節手段２１．７を介して、ファイバ格子逆カップリング手段の温度を規定の安定性で保持するようにしている。温度調節手段２１．６を介して半導体レーザの温度を変えると共に、そこで発生する位相ズレを同時に測定する。そして測定値から、位相ズレ最小値および半導体レーザに対して必要で適切な温度を求める。波長に関して半導体レーザとファイバ格子逆カップリング手段で温度係数が１０倍異なることにより、この処置で最適の作動ポイントを設定するために調査せねばならないのは、数ケルビンの小さい温度範囲（１〜２Ｋ）のみである。
【００４８】
それに対して第二例では、温度調節手段２１．６を介して特定の安定性で半導体レーザの温度を一定に保持し、温度調節手段２１．７を介してファイバ格子逆カップリング手段の温度を変える。同時に同じくそこで発生する位相ズレを測定し、その最小値ないしファイバ格子逆カップリング手段の適切な温度を特定する。この場合には前と較べて明らかに大きな温度範囲、一般的には６〜１０Ｋを調査せねばならない。
【００４９】
両方の方法でそれぞれ調査する温度範囲は特に、内部レーザ共振器の長さによって決まる。これが長ければ長いほどレーザモードが近接して位置し、そして調査すべき温度範囲が小さい。
【００５０】
位相ズレ最小値の測定後、半導体レーザをファイバ格子逆カップリング手段と一緒に、測定において最適として識別した温度ペアに制御する。ここで記載の温度測定は、本発明による位置測定装置の製造時、機械の初期化時および／または定期的な較正サイクルで行うことができる。
【００５１】
一つの機械で位相ズレ最小値を測定するためには、そこで使用の位置測定装置を信号発生および評価のために使用せねばならない。非対称の光路を有する位置測定装置では正に位相ズレが重要であるので、このようにすることで位相ズレ最小値を比較的簡単な手段で洗練された形でも求めることができる。その場合に、非対称の光路を有する位置測定装置を、分光光路間の非対称性が最大である許容範囲の端部に動かす。そしてこの位置において位置ズレを、ファイバ格子逆カップリング手段または半導体レーザの温度の関数として求める。即ち、先に説明したように一つの温度を変え、そして別の温度を特定の精度で一定に保持する。そして求めたデータから、半導体レーザまたはファイバ格子逆カップリング手段用の最適な運転温度を特定し、そして温度制御装置に伝達する。
【００５２】
従って、本発明による位置測定装置の光源側における種々の対応により特に、既に上記で論議した利点が高精密な位置測定のために結果として得られる。
そしてパルスで駆動する位置測定装置を開発する時に、充分に対称的な走査光路に最早制限されず、非対称の走査光路も今や可能である。
【００５３】
更に、位置測定装置の基準尺と走査ユニットが場合により傾斜したときに、両方の干渉分光光束が同じく異なった光学的経路長を通過するので、干渉分光光束に対して許容経路長の差が大きいことを許容度範囲を拡大するために利用することもできる。上記の光源を使用する時には、干渉式位置測定装置の使用時に例えば従来と較べて大きな傾斜許容度が許されるという可能性が得られる。
【００５４】
本発明の範疇では説明した例の他に勿論、実施するうえで別の一連の可能性がある。それで例えば格子ベースの位置測定装置の場合において、異なった分光光路からの分光光束を重ね合わせて干渉させる前に、代替の走査光路を設けることもできる。
【００５５】
光源から送られる光線を少なくとも二つの分光光束に分割するための分光手段として、ここでは格子および光路にある他の光学要素も機能を果たすことができる。
本発明による位置測定装置は勿論、実体的に構成された基準尺なしでも、即ち干渉計として実現できることを既に何度も言及した。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 基準尺
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２１．１ レーザケース
２１．２ 半導体レーザ
２１．３ 後部ファセット
２１．４ 前部ファセット
２１．５ 集束光学系
２１．６ 温度調節手段
２１．７ 温度調節手段
２１． 光ファイバ
２１．９ 反射ブラッグ格子
２２ 集束レンズ
２３ 方向転換ミラー
２４ 走査プレート
２５ 走査格子
２６ 反転反射要素
２７ 検知要素
２ 光ファイバ
１００ 基準尺
２００ 走査ユニット
２０１ 光源
２０２ 分光光学系
２０ 光ファイバ
２０７ 光電式検知要素
２１０ ブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品を製造するための装置では、相互に可動である特定部品の空間位置を、適切な位置測定装置を使って精密に特定することが必要である。それにより、求めた位置情報によって、この装置ではコンピュータ制御による動作制御が可能である。このために従来は必要な位置測定を圧倒的に、多数のレーザ干渉計を使って行っていた。今後は種々の部品の動作速度が速くなると同時に、位置測定での精度要求が更に増大することが前提となる。そこで生じる高精度要求では、最早レーザ干渉計を位置測定装置として使用することができない。最適な空調がされている時でも位置測定では、周囲の空気中における屈折率変動が許容できない測定値変動を招き、それは数ナノメータ（ｎｍ）の大きさレベルにある。
【０００３】
以上の理由から既に当該種類の装置用に、代替となる位置測定装置が提案されている。例えばＥＰ １ ０１９ ６６９ Ｂ１号公報で、二次元基準尺として所謂十字格子を有する光学的位置測定装置を使用することが公知である。以下において当該種類の位置測定装置を、格子ベースの位置測定装置とも呼ぶことにする。このシステムは、場合による空気の屈折率変動に殆ど影響されず、よって良好に再現できる位置測定を可能にする。
【０００４】
ナノメータ範囲にある必要分解能を生み出す基準尺として格子を有する光学的位置測定装置は、一般的に干渉による走査原理に基づいている。この場合に通常、適切な光源の光線が少なくとも二つの干渉用分光光束に分割され、それが後にそれぞれの分光光路にある多数の格子に当たり、そして再び集束して干渉する。最終的に目的の位置情報は、干渉する両分光光束の（変位に従う）位相状態により得られる。両分光光束に対して結果として生じる分光と再集束間における光路長の差異は、この種のシステムの対称的な分光光路では一般的に殆どゼロである。よって、希望する干渉を検知側で保証するためには、使用する光の僅かな干渉長さで充分である。
【０００５】
ＤＥ １０ ２００５ ０４３ ５６９ Ａ１号公報では、二つの分光光束用に主として非対称の分光光路を有する別の干渉式位置測定装置が提案されている。即ち、この非対称性により経路長の差異が、干渉に至る分光光束にとって最大数ミリメータ（ｍｍ）の大きさレベルになる。使用する光で必要な干渉長さに関してこれが意味することは、干渉長さが数ミリメータ（ｍｍ）から数センチメータ（ｃｍ）までの範囲になければならず、そうでない場合には重なり合うことになる分光光束の干渉が不可能であるということである。高精密の位置測定装置において上記で論議した要求を基本的に満たす光源は、本出願人によるＤＥ １０ ２００６ ０４１ ３５７ Ａ１号公報で公知である。これは、１ｍｍ〜１ｃｍ範囲の大きな干渉長さを有する半導体レーザとして構成されており、それがパルス的にシングルモード駆動で作動する。適切な半導体レーザとしては、例えば所謂ＤＦＢ半導体レーザ、またはＤＢＲ半導体レーザも検討対象になる。この文献で提案されている光源は、干渉長さに関する要求を基本的に満たしているが、特に高い光学的性能を必要とする時には一定の技術的工数を必要とする。
【０００６】
光源に対する基本的に類似の要求は一般的に、位置測定装置がパルス的に駆動する干渉計として構成されている時にも生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって本発明の課題は、高精密な位置測定をする位置測定装置を示すことであり、その時にパルス駆動を可能にする、出来るだけ簡単な光源を使用するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によればこの課題を、請求項１に記載の位置測定装置により解決する。
本発明による位置測定装置で利点がある構成の可能性は、従属請求項に記載の特徴により得られる。
【０００９】
少なくとも一つの測定方向で互いに可動自在で配置されている二つの対象物の、位置を検出するための本発明による位置測定装置には、光源および、光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段を含んでいる。分光光束は、少なくとも二つの分光光路を通過する。分光光路からの干渉分光光束が多数の光電式検知要素に当たるので、検知要素を介して変位に従う位置信号を検出することができる。光源は、ファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザとして構成されている。
【００１０】
可能性のある実施形態では半導体レーザが、ファブリ・ペロー型レーザとして構成されている。
ファイバ格子逆カップリング手段には、次の部品を含んでいることがある：
−半導体レーザの出力側前部ファセットの前に配置された集束光学系
−集束光学系の後に配置された光ファイバ
−光ファイバに内蔵された反射ブラッグ格子
ファイバ格子逆カップリング手段が、その波長的な反射特性に関して半導体レーザのモード間隔に一致していると利点がある。
【００１１】
そこで、隣接する半導体レーザモードの間隔より小さく選ばれている波長範囲にある光線が、ファイバ格子逆カップリング手段により半導体レーザに逆反射されると好ましい。
半導体レーザおよび／又はファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段と繋がっているようにしていることがあり、それを介してファイバ格子逆カップリング手段の反射特性を半導体レーザのモード状態に一致させる。
【００１２】
半導体レーザおよびファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段と繋がっていると利点があり、それを介して半導体レーザとファイバ格子逆カップリング手段を、変位に従う位置信号の位相ズレが最小である温度で駆動できる。
【００１３】
温度調節手段には例えば、温度調整要素および温度制御装置を含んでいる。
光ファイバは、シングルモード光ファイバとして構成されていると好ましい。
半導体レーザは、〜１２ｍｍ範囲にある干渉長さを有していることがある。
【００１４】
そこで半導体レーザは、２０ｎｓ〜２００ｎｓの範囲にあるパルス時間を有する光パルスを発振することができる。
分光光束が重なり合って干渉する前に分光光束の通過する分光光路が、異なった光学的経路長さを有して非対称で構成されているものとすることができる。
【００１５】
そこで基準尺に相対的に可動自在である走査ユニットを設けていることがあり、その時に光源が走査ユニットから離れて配置されており、そして光源が光ファイバを使って走査ユニットと接続されている。
【００１６】
しかし代替として、位置測定装置が干渉計として構成されている場合もある。
本発明による位置測定装置には、ここで設けている光源により一連の利点が得られる。
そこでは光源の大きな出力時にも同時に、１センチメータを超えるまでの特に大きな干渉長さ使用できる。このことは、干渉することになる分光光束に対して明らかに大きな経路差が可能であるので、本発明による位置測定装置の干渉式走査原理にとって利点のある成果が得られる。そして許容される経路差が、数ミリメータ〜１センチメータにあることがある。このことにより特に、著しく非対称な分光光路を有する位置測定装置の構成が可能になり、その装置では色々な分光光路にある光が、明らかに異なった光学的経路長を進む。分光光路において許容できる経路差が大きいことは、傾斜許容度に関しても利点を有して作用する。よって本発明により構成された位置測定装置に対して、従来のケースと較べて明らかに大きな傾斜許容度を許容できる。
【００１７】
別の利点として、温度安定化のための僅かな工数のみで、光源の高い波長安定性が結果として得られることが挙げられる。それにより、著しく波長に関係する走査原理を使った位置測定装置も、長期間に亘って安定して運転することができる。本発明による位置測定装置が干渉計として構成されている時に特に、位置特定時に高い測定精度が得られる。
【００１８】
更に光源のパルス駆動により、例えば所謂メモリジッタにより起きることのある測定誤差を回避できることが、高出力時でも同時に保証される。ここで云う誤差は、測定と本来の位置測定値出力間の時間に基づいて生じる誤差と解釈する。本発明による位置測定装置のパルスによる駆動との関連で詳しくは、本出願人による特許文献４を参照されたい。
【００１９】
本発明の別の利点および詳細は、実施例について添付の図面を使った以下の説明から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による位置測定装置ないし本発明による方法の第一実施例を説明するための概略図。
【図２】本発明による位置測定装置の第二実施例の概略図。
【図３】本発明による位置測定装置用に適した光源の著しく概略化した図。
【図４】ファブリ・ペロー型レーザのモード形状と図３による光源の反射ブラッグ格子の反射特性の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による位置測定装置の第一実施例の概略図を図１で示しており、そこで装置が、格子として構成された基準尺を有している。従って図示の第一実施例は、格子ベースの位置測定装置として構成されている。
【００２２】
図示の位置測定装置には基準尺１０の他に、少なくとも相対的に測定方向ｘで可動の走査ユニット２０、および走査ユニット２０から離れて配置された光源２１を含んでいる。基準尺１０と走査ユニット２０は、二つの−図示していない−対象物と繋がっており、その互いの位置を測定することになる。最初に述べたように、ここでは例えば半導体構成要素を製造する装置で互いに相対的に可動する構成部品が対象になる。
【００２３】
提示の例では基準尺１０が直線の反射基準尺として構成されており、異なった反射率を測定方向ｘで交互に配置した範囲でできている。
変位に従う位置信号を発生する走査側要素を、以下において走査手段とも呼ぶことにする。これには光源２１の他に、更に種々の別の光学的および／または光電的構成要素を含んでいる。これらの構成部品は、例えば走査ユニット２０の中に配置されている、および／または例えば適切な光ファイバ等を介してそれと適切な有効接続状態としていることもある。走査手段の機能を説明するために以下において、図１で示す実施例の走査光路を追跡することにする。ここでまず代替の走査光路も勿論、本発明の範疇で実現できることを示唆しておきたい。
図１の例において、光パルスの形態で光源２１から発光された光束が、光ファイバ２を介して走査ユニット２０に送られる。特に適切な光源の詳細に関しては、後の説明を参照されたい。集束レンズ２２を介して光パルスないし光束が方向転換ミラー２３に到達して、これを方向転換ミラーが基準尺１０の方向に方向転換する。そして光束は、走査ユニット２０の下側にある走査プレート２４の透明範囲を通過して、基準尺１０の方向に伝播する。そこで光束は最初の衝突で、＋１と−１次の二つの分光光束に曲げられる又は分光され、そして走査ユニット２０の方向に逆反射される。以上により提示の実施例では基準尺１０が、光源２１から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段として機能する。そして分割された分光光束は、その分光光路でそれぞれ走査プレート２４にある走査格子２５．１，２５．２を通過し、後に配置された反転反射要素２６．１，２６．２を介して、再び基準尺１０の方向に逆方向転換される；その方向転換された分光光束を図では破線で図示している。反転反射要素２６．１，２６．２として機能するのは、例えば適切なプリズム、方向転換ミラーの組み合わせ、または同等品である。分光光束は、走査プレート２４にある−図示していない−第二走査格子を改めて通過してそこで方向を変えた後に、基準尺１０に再度衝突する；尚、図１で逆向きになった分光光束の図示は概略的にのみ示している、即ち、特に基準尺１０への再度の衝突は、完全に正しくは図示されていないことを示唆しておきたい。基準尺１０上で分光光束が改めて曲げられて、平行な分光光束のペアが走査ユニット２０方向に伝播する。走査ユニット２０の中で分光光束が、走査プレート２４にある別の走査格子２５．３に当たり、そこで三つの空間方向への三ペアの干渉分光光束の分割が行われる。走査ユニット２０内で該当する空間方向には、分光光路からの干渉分光光束が当たる三つの検知要素２７．１，２７．２，２７．３が配置されているので、検知要素２７．１，２７．２，２７．３を介して変位に従う位置信号を検知することができる。検知要素２７．１，２７．２，２７．３には、位相のずれた位置信号がかかっている；このとき位相のズレは一般的に１２０°である。
【００２４】
走査ユニット２０Hの中で図示している検知要素２７．１〜２７．３の代替配置として、光源２１のように検知要素を空間的にそれから分離して配置し、検知する分光光束を検知要素に光ファイバを介して送ることも可能である。同様に、説明した変形例に対する代替として別の数の位相がずれた位置信号、例えば二つまたは四つのそれぞれ９０°位相がずれた位置信号をつくり出すようにすることもできる。
【００２５】
本発明による位置測定装置の提示している実施例では、それぞれの分光光路において基準尺１０上での第一および第二反射間の分光光束が、明らかに異なった光学的経路長Ｌ１とＬ２、即ちＬ１≠Ｌ２を通過する；これを図１では大まかにのみ示している。以上により、干渉することになる分光光束にとって明らかに異なった光学的経路長を有する非対称の分光光路が現れる。この非対称が理由となって、位置特定するための干渉信号を検知側で評価する時に、使用する光源２１の干渉長さが大きいことに関して先に論議した要求が出てくる。
【００２６】
本発明による位置測定装置の光源を図３と４を使って細かく述べる前に、図２を使って本発明による第二実施形態を説明することにする。図２も同じく、当該位置測定装置を著しく概略化した図を示している。図２で図示の実施例も、基準尺を有する格子ベースの位置測定装置として構成されている。
【００２７】
図２でも同じく、基準尺１００に対して少なくとも一つの測定方向Ｘで可動自在で配置されている走査ユニット２００を示している；光源２０１から発光された光パルスは、同じく光ファイバ２０を介して走査ユニット２００に送られる。
【００２８】
図示している位置測定装置の第二実施形態は、図１による例との違いとして、規定された測定方向ｘにおける相対移動を検知するだけでなく、加えてこれに直角な方向ｚにおける位置を同時に特定することができる。それにより更に、基準尺１００と走査ユニット２００間の間隔も特定できる。
【００２９】
その目的のために走査ユニット２００には、図２で概略的に示すように、図１による例で説明したような当該走査光路を二つ含んでいる。図２において二つの走査光路には、エンコーダＡとエンコーダＢの表示が設けられている。従って二つの走査光路のいずれもが原理的に、図１の例における走査光路ように構成されている。分割された分光光路にできる光学的経路長Ｌ１，Ｌ２に関して特に、これがそれぞれ明らかに異なっていること、即ち、又もやＬ１＜Ｌ２であることが当て嵌まる。
【００３０】
走査ユニット２００から分離して配置された光源２０１から入力側に送られた光パルスは、光ファイバ２０を介して走査ユニット２００に送られ、そして分光光学系２０２を介して二つの走査光路に分割される；理解し易くするために、二つの走査光路の詳細を図示することは行っていない。走査手段に数えられる光学的部品は、図２において走査ユニット２００の中で概略化してブロック２１０として示している。同様に概略的なブロックとしてのみ示しているのは、同じく走査手段に数えられる光電式検知要素２０７Ａ，２０７Ｂである。そしてこの検知要素２０７Ａ，２０７Ｂを介して検出された位置信号は、更に処理するために−図示していない−評価ユニットに送られる。
【００３１】
走査光路の詳細に関しての詳しくは、ここでも本出願人による特許文献２を参照されたい。
本発明による位置測定装置の第二実施形態においても、高精密測定に対して特別な利点を提供する特別に選んだ光源が使用され、それを以下において図３と４を使って詳細に説明する。
【００３２】
本発明による位置測定装置で今まで説明した二つの実施例には、実体的に構成された基準尺としてそれぞれ格子を含んでおり、それが走査光路に配置されている。変位に従う位置信号をつくり出すことは、それぞれ干渉による走査原理に基づいている。その場合に光源から送られた光線が、分光手段を介して少なくとも二つの分光光束に分割され、その分光光路において引き続いて一つまたは複数の格子に当たり、その後に再び集束して干渉する。関心のある位置情報は、干渉分光光束の変位に従う位相状態により得られる。
【００３３】
本発明による位置測定装置の第三実施形態として、実体的に構成された基準尺としての格子を含まない公知のレーザ干渉計として、これを構成しているようにすることもある。このケースでは、同じく分光手段を介して適切に分割された分光光束が、公知の形式と方法で測定光路と参照光路の形態にある分光光路を通過する。通常は可動の対象物が測定光路にあるリフレクタ要素と繋がっており、他方で参照光路には静止したリフレクタ要素が配設されている。分光光束は、それぞれ測定光路と参照光路の分光光路を通過後に干渉して、光電式の検知要素を介して変位に従う位置信号を発生する。前記で詳細に説明した実体的に構成された基準尺を備えた実施例と同様に、レーザ干渉計のケースでも基準となる位置情報は、再び干渉のために重ね合わされた分光光束の変位に従う位相状態から得られる。このような本発明による位置測定装置の実施形態でも、以下において図３と４を使って詳細に説明するような光源を使用することができる。
【００３４】
本発明による位置測定装置では、光源２１としてファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザを使用するようにしている。その光源２１は、パルス的にシングルモード運転で作動し、干渉長さの大きな光線を送り出す。３００ｍＷ以上のパルス出力と１２ｍｍ以上の干渉長さで２０ナノ秒〜２００ナノ秒のパルス時間を達成できる。光源２１の干渉長さに対する代表的な値は、約５００ｍＷのパルス出力時で１０ｍｍ近辺にある；半導体レーザが８−１２ｍｍ範囲の干渉長さを有していると好ましい。パルス出力を更に下げて同時にパルス時間を増加すると、干渉長さを更に大きくすることができる。
【００３５】
よって著しく非対称の分光走査光路の場合にも、上記で説明した二つの例におけるように、基準尺で第二の曲げが行われ集束した後に、検知要素の方向に平行に伝播する二つの分光光束の干渉が保証される。
【００３６】
更に当該測定課題は、例えば基本的に文献４で公知であるように、パルスによる走査方法の使用を必要とすることがある。このような形式と方法により、走査時点が光パルスによってのみで特定されている、即ち、既に上記で言及したメモリジッタおよび位置特定時にそれから発生する測定誤差を、パルスによる走査方法では回避できる、又は少なくとも減少できる。
【００３７】
光源２１用に設けている半導体レーザ２１．２は、−図３で概略的に図示しているように−適切なレーザケース２１．１の中に配置されているファブリ・ペロー型レーザで構成されていると好ましい。ファブリ・ペロー型レーザ２１．２は、適切な半導体材料の形態にある本来のレーザ媒体および、高反射性で構成の後部ファセット２１．３（Ｒ≒９９％）と非反射性の前部ファセット２１．４（Ｒ≒＜０．１％）で出来ている；よって、ファブリ・ペロー型レーザ２１．２の二つの端面ないしファセットが、ファブリ・ペロー共振器を構成しており、可能性ある多数のレーザモードを励起する。ファブリ・ペロー型レーザ２１．２から発光されたレーザ光線は、出力側の前部ファセット２１．４の前に配置された集束光学系２１．５を介して、光ファイバ２１．に集束される。光ファイバ２１．の中には反射ブラッグ格子２１．９が内蔵されており、それが特定の波長領域でのみ光線をファブリ・ペロー型レーザ２１．２の方向に逆反射する。従って、光源２１の側で上記のファイバ格子逆カップリング手段に属するのは、集束光学系２１．５、光ファイバ２１．、および反射ブラッグ格子２１．９である。光源２１によりつくり出された光線が、既に図１で明示したように光ファイバ２を介して、本発明による位置測定装置の走査ユニットに送られる。
【００３８】
光源２１には結合された二つのレーザ共振器、即ち一つは内部の、そして一つの外部のレーザ共振器を含んでいる。内部レーザ共振器ないしファブリ・ペロー共振器は、後部ファセット２１．３と前部ファセット２１．４により構成され、外部レーザ共振器は、後部ファセット２１．３と反射ブラッグ格子２１．９により構成されている。
【００３９】
反射ブラッグ格子２１．９は、狭い波長領域でのみ光線をファブリ・ペロー型レーザ２１．２に逆反射するように構成されている。ここで反射ブラッグ格子２１．９それによりファイバ格子逆カップリング手段の波長に関係する反射特性は、ファブリ・ペロー型レーザ２１．２のモード間隔に一致している。そしてファブリ・ペロー型レーザ２１．２の隣接するモード間隔より小さい波長領域にある光線のみが、ファイバ格子逆カップリング手段によりファブリ・ペロー型レーザ２１．２へ確実に逆反射される。この関係を、図４を使って説明することにする。そこでは一定の波長領域に亘って、使用するファブリ・ペロー型レーザ２１．２で得られるモードスペクトルおよび反射ブラッグ格子２１．９の反射特性ないし反射バンド幅を著しく概略化して図示している。
【００４０】
ここでファブリ・ペロー型レーザ２１．２のモード間隔に反射ブラッグ格子２１．９の反射特性が一致していることにより、本発明による位置測定装置の光源をパルス的に駆動することができ、それにより僅かな位相ズレのみで位置測定が可能となる。
【００４１】
反射ブラッグ格子２１．９を介して内部レーザ共振器は、数ナノ秒以内で安定する固定レーザモードでの運転に常に強制される。そこで光源はシングルモード駆動で作動する。数ピコメータ範囲で反射ブラッグ格子２１．９の反射特性ないし反射帯域幅を選んでいることにより、本発明による位置測定装置の光源２１は、非常に狭いスペクトル範囲（発光波長１μｍおよび干渉長さ１０ｍｍの時にスペクトル幅１００ｐｍ）で発光する、即ち、それに従って光源２１の干渉長さが−提示の応用で望まれるように−比較的大きい。このような形式と方法により−既に上述したように１０ｍｍ以上の干渉長さを達成できる。
【００４２】
同じく先に述べたように、ナノメータ範囲にある測定精度での高精密の位置測定に対しては、示される位相ズレの少ないことが必要である。そうでなければ、存在する位相ズレが位置ズレに変換されるであろうし、それにより位置測定の精度が影響を受けて望ましくない。反射ブラッグ格子２１．９とその反射特性を介して、反射ブラッグ格子２１．９なしで自由駆動する半導体レーザの固有モードに相当しない半導体レーザの駆動状態を狙って選択できる。この固有モードでは大きな位相ズレを示すであろう；図４では、その種の−準最適の−範囲２をハッチングでマーキングしている。しかしながら、自由駆動する半導体レーザの固有モードを反射ブラッグ格子２１．９を使うことにより狙って抽出できる時には、位相ズレを狙って少なくすることができ、それを図４においてハッチングでマーキングした範囲１で明示している。以上により半導体レーザは、反射ブラッグ格子２１．９を介してシングルモード駆動で強制される。従って本発明による位置測定装置において使用するために重要なことは、使用する半導体レーザのレーザモードの波長に関係する状態が、反射ブラッグ格子２１．９の反射最大値に狙って一致されることである。この一致させることは、レーザモードの波長に関係する状態や反射ブラッグ格子２１．９の反射特性が温度に関係することにより、半導体レーザ２１．２および／またはファイバ格子逆カップリング手段が結合されているないし接続状態にある温度調節手段２１．６，２１．７を使って行う。図３では、この温度調節手段２１．６，２１．７を非常に簡略化してのみ示しており、図示している例では半導体レーザ２１．２にもファイバ格子逆カップリング手段にも、温度調節手段２１．６，２１．７を有効な接続状態で関連配置している。ファイバ格子逆カップリング手段の側では、特にその反射特性を適切に合わせるために、設けた温度調節手段２１．６，２１．７を少なくとも反射ブラッグ格子２１．９に作用させねばならない。
【００４３】
提示の例において温度調節手段２１．６，２１．７には、ペルチェ素子として構成する温度調整要素２１．６ａ，２１．７ａおよび、ソフトウエアおよび／またはハードウエアにより公知の形式と方法で構成していることのある温度制御装置２１．６ｂ，２１．７ｂを含んでいる。
【００４４】
温度調整要素２１．６，２１．７は、その代替として例えば加熱フィルムの形態をした加熱要素として、あるいは制御自在の水冷または温水加熱として構成することもできる。更に、両方の温度調整要素２１．６ａ，２１．７ａを、単一の温度制御装置を使って適切に狙って調整する、あるいは共通利用する単一の温度調整要素を設けて、それを温度制御装置を介して適切に調整するようにもできるであろう。
【００４５】
可能性のある実施形態では例えば半導体レーザの温度を、適切な温度調整要素を介して２５ｍＫの安定性で２０℃〜４０℃の範囲に調整するが、そのためには通常、半導体レーザの加熱が必要である。反射ブラッグ格子２１．９の温度は約２２℃に調整するが、それを例えば適切な水冷形態をした温度調整要素を介して行う。
【００４６】
本発明による位置測定装置で本来の測定駆動をする前に、位相ズレが最小化されている最適作動ポイントに光源２１ないし半導体レーザを設定することが必要である。そのためには種々の対処方法がある。
【００４７】
第一の例では温度調節手段２１．７を介して、ファイバ格子逆カップリング手段の温度を規定の安定性で保持するようにしている。温度調節手段２１．６を介して半導体レーザの温度を変えると共に、そこで発生する位相ズレを同時に測定する。そして測定値から、位相ズレ最小値および半導体レーザに対して必要で適切な温度を求める。波長に関して半導体レーザとファイバ格子逆カップリング手段で温度係数が１０倍異なることにより、この処置で最適の作動ポイントを設定するために調査せねばならないのは、数ケルビンの小さい温度範囲（１〜２Ｋ）のみである。
【００４８】
それに対して第二例では、温度調節手段２１．６を介して特定の安定性で半導体レーザの温度を一定に保持し、温度調節手段２１．７を介してファイバ格子逆カップリング手段の温度を変える。同時に同じくそこで発生する位相ズレを測定し、その最小値ないしファイバ格子逆カップリング手段の適切な温度を特定する。この場合には前と較べて明らかに大きな温度範囲、一般的には６〜１０Ｋを調査せねばならない。
【００４９】
両方の方法でそれぞれ調査する温度範囲は特に、内部レーザ共振器の長さによって決まる。これが長ければ長いほどレーザモードが近接して位置し、そして調査すべき温度範囲が小さい。
【００５０】
位相ズレ最小値の測定後、半導体レーザをファイバ格子逆カップリング手段と一緒に、測定において最適として識別した温度ペアに制御する。ここで記載の温度測定は、本発明による位置測定装置の製造時、機械の初期化時および／または定期的な較正サイクルで行うことができる。
【００５１】
一つの機械で位相ズレ最小値を測定するためには、そこで使用の位置測定装置を信号発生および評価のために使用せねばならない。非対称の光路を有する位置測定装置では正に位相ズレが重要であるので、このようにすることで位相ズレ最小値を比較的簡単な手段で洗練された形でも求めることができる。その場合に、非対称の光路を有する位置測定装置を、分光光路間の非対称性が最大である許容範囲の端部に動かす。そしてこの位置において位置ズレを、ファイバ格子逆カップリング手段または半導体レーザの温度の関数として求める。即ち、先に説明したように一つの温度を変え、そして別の温度を特定の精度で一定に保持する。そして求めたデータから、半導体レーザまたはファイバ格子逆カップリング手段用の最適な運転温度を特定し、そして温度制御装置に伝達する。
【００５２】
従って、本発明による位置測定装置の光源側における種々の対応により特に、既に上記で論議した利点が高精密な位置測定のために結果として得られる。
そしてパルスで駆動する位置測定装置を開発する時に、充分に対称的な走査光路に最早制限されず、非対称の走査光路も今や可能である。
【００５３】
更に、位置測定装置の基準尺と走査ユニットが場合により傾斜したときに、両方の干渉分光光束が同じく異なった光学的経路長を通過するので、干渉分光光束に対して許容経路長の差が大きいことを許容度範囲を拡大するために利用することもできる。上記の光源を使用する時には、干渉式位置測定装置の使用時に例えば従来と較べて大きな傾斜許容度が許されるという可能性が得られる。
【００５４】
本発明の範疇では説明した例の他に勿論、実施するうえで別の一連の可能性がある。それで例えば格子ベースの位置測定装置の場合において、異なった分光光路からの分光光束を重ね合わせて干渉させる前に、代替の走査光路を設けることもできる。
【００５５】
光源から送られる光線を少なくとも二つの分光光束に分割するための分光手段として、ここでは格子および光路にある他の光学要素も機能を果たすことができる。
本発明による位置測定装置は勿論、実体的に構成された基準尺なしでも、即ち干渉計として実現できることを既に何度も言及した。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 基準尺
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２１．１ レーザケース
２１．２ 半導体レーザ
２１．３ 後部ファセット
２１．４ 前部ファセット
２１．５ 集束光学系
２１．６ 温度調節手段
２１．７ 温度調節手段
２１． 光ファイバ
２１．９ 反射ブラッグ格子
２２ 集束レンズ
２３ 方向転換ミラー
２４ 走査プレート
２５ 走査格子
２６ 反転反射要素
２７ 検知要素
２ 光ファイバ
１００ 基準尺
２００ 走査ユニット
２０１ 光源
２０２ 分光光学系
２０ 光ファイバ
２０７ 光電式検知要素
２１０ ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの測定方向で互いに可動自在で配置されている二つの対象物の位置を検出するための位置測定装置であって、
−光源と
−光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段と
−分光光束が通過する少なくとも二つの分光光路と、
−多数の光電式検知要素とを備え、それに分光光路からの干渉分光光束が当たり、それにより検知要素を介して変位に従う位置信号を検出できる、位置測定装置において、
光源（２１；２０１）が、ファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザとして構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、ファブリ・ペロー型レーザ（２１．２）として構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位置測定装置において、
ファイバ格子逆カップリング手段には、次の部品：
−半導体レーザの出力側前部ファセット（２１．４）の前に配置された集束光学系（２１．５）
−集束光学系（２１．５）の後に配置された光ファイバ（２１．）
−光ファイバ（２１．）に内蔵された反射ブラッグ格子（２１．９）
を含んでいる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の位置測定装置において、
ファイバ格子逆カップリング手段が、その波長に関係する反射特性に関して半導体レーザのモード間隔に一致している、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項５に記載の位置測定装置において、
隣接する半導体レーザモードの間隔より小さく選ばれている波長範囲にある光線が、ファイバ格子逆カップリング手段により半導体レーザに逆反射される光線となる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の位置測定装置において、
半導体レーザおよび／またはファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段（２１．６，２１．７）と繋がっており、それを介してファイバ格子逆カップリング手段の反射特性を、半導体レーザのモードの状態に一致させる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザおよびファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段（２１．６，２１．７）と繋がっており、それを介して半導体レーザとファイバ格子逆カップリング手段を、変位に従う位置信号の位相ズレが最小である温度で駆動できる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の位置測定装置において、
温度調節手段（２１．６，２１．７）には、温度調整要素（２１．６ａ，２１．７ａ）および温度制御装置（２１．６ｂ，２１．７ｂ）を含んでいる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】
請求項３に記載の位置測定装置において、
光ファイバ（２１．）が、シングルモード光ファイバとして構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、〜１２ｍｍ範囲にある干渉長さを有している、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、２０ｎｓ〜２００ｎｓの範囲にあるパルス時間を有する光パルスを発振する、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の位置測定装置において、
分光光束が重なり合って干渉する前に分光光束の通過する分光光路が、異なった光学的経路長さを有して非対称で構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の位置測定装置において、
基準尺（１０；１００）に相対的に可動自在である走査ユニット（２０；２００）が設けられており、その時に光源（２１；２０１）が走査ユニット（２０；２００）から離れて配置されており、そして光源（２１；２０１）が光ファイバー（２；２０）を使って走査ユニット（２０；２００）と接続されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
これが干渉計として構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１】
少なくとも一つの測定方向で互いに可動自在で配置されている二つの対象物の位置を検出するための位置測定装置であって、
−光源と
−光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段と
−分光光束が通過する少なくとも二つの分光光路と、
−多数の光電式検知要素とを備え、それに分光光路からの干渉分光光束が当たり、それにより検知要素を介して変位に従う位置信号を検出できる、位置測定装置において、
光源（２１；２０１）が、ファイバ格子逆カップリング手段付き半導体レーザとして構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、ファブリ・ペロー型レーザ（２１．２）として構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位置測定装置において、
ファイバ格子逆カップリング手段には、次の部品：
−半導体レーザの出力側前部ファセット（２１．４）の前に配置された集束光学系（２１．５）
−集束光学系（２１．５）の後に配置された光ファイバ（２１．）
−光ファイバ（２１．）に内蔵された反射ブラッグ格子（２１．９）
を含んでいる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の位置測定装置において、
ファイバ格子逆カップリング手段が、その波長に関係する反射特性に関して半導体レーザのモード間隔に一致している、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項５に記載の位置測定装置において、
隣接する半導体レーザモードの間隔より小さく選ばれている波長範囲にある光線が、ファイバ格子逆カップリング手段により半導体レーザに逆反射される光線となる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の位置測定装置において、
半導体レーザおよび／またはファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段（２１．６，２１．７）と繋がっており、それを介してファイバ格子逆カップリング手段の反射特性を、半導体レーザのモードの状態に一致させる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザおよびファイバ格子逆カップリング手段が、少なくとも部分的に温度調節手段（２１．６，２１．７）と繋がっており、それを介して半導体レーザとファイバ格子逆カップリング手段を、変位に従う位置信号の位相ズレが最小である温度で駆動できる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の位置測定装置において、
温度調節手段（２１．６，２１．７）には、温度調整要素（２１．６ａ，２１．７ａ）および温度制御装置（２１．６ｂ，２１．７ｂ）を含んでいる、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】
請求項３に記載の位置測定装置において、
光ファイバ（２１．）が、シングルモード光ファイバとして構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、〜１２ｍｍ範囲にある干渉長さを有している、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、２０ｎｓ〜２００ｎｓの範囲にあるパルス時間を有する光パルスを発振する、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の位置測定装置において、
分光光束が重なり合って干渉する前に分光光束の通過する分光光路が、異なった光学的経路長さを有して非対称で構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の位置測定装置において、
基準尺（１０；１００）に相対的に可動自在である走査ユニット（２０；２００）が設けられており、その時に光源（２１；２０１）が走査ユニット（２０；２００）から離れて配置されており、そして光源（２１；２０１）が光ファイバー（２；２０）を使って走査ユニット（２０；２００）と接続されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
これが干渉計として構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１２３０５４（Ｐ２０１１−１２３０５４Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７４９６（Ｐ２０１０−２４７４９６）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０１２３２８２７）ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲーエムベーハー (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０１２３２８２７）ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲーエムベーハー (24)
【Ｆターム（参考）】
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