光干渉測長装置
【課題】位置決め装置を初期化する際に、短時間で移動体の絶対位置測定が可能であり、なおかつ長時間に渡り安定した移動体の移動量測定が可能な光干渉測長装置を提供する。
【解決手段】移動体であるスライダ１０の移動量を測定する光干渉測長装置は、光を測定光と参照光に分離し、測定光を、スライダ１０に設置された測定ミラー９によって反射させ、参照光を参照ミラー８によって反射させる。測定ミラー９による測定光路の屈折率を、チャンバー２の内部の気圧を増減させることによって変化させ、屈折率の変化による干渉計の測長値の変化から、スライダ１０の絶対位置を測定する。
【解決手段】移動体であるスライダ１０の移動量を測定する光干渉測長装置は、光を測定光と参照光に分離し、測定光を、スライダ１０に設置された測定ミラー９によって反射させ、参照光を参照ミラー８によって反射させる。測定ミラー９による測定光路の屈折率を、チャンバー２の内部の気圧を増減させることによって変化させ、屈折率の変化による干渉計の測長値の変化から、スライダ１０の絶対位置を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアステージ等の移動体の移動量を測定するための光干渉測長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の光干渉測長方法では、移動反射鏡によって反射された測定光と、固定反射鏡によって反射された参照光との干渉光を得る干渉計を用い、移動反射鏡の移動に伴って生じる干渉光の位相変化を積算することにより、移動体の移動量を測定する。位相変化の積算により求められる移動量は、移動反射鏡の相対移動量であり、移動反射鏡の絶対位置を求めることはできない。
【０００３】
しかし、精密測長手段として光干渉測長装置が使用されるリニアステージ等の位置決め装置においては、装置を初期化する際に、装置上でのステージの位置を確定するため、ステージの絶対位置測定が要請されるのが一般的である。このため、通常は光干渉測長装置とは別の近接センサなどの手段を用いて原点復帰を行うことで、ステージの絶対位置測定を行っている。
【０００４】
位置決め装置を初期化する際に、ステージを移動することなく光干渉測長装置を用いて絶対位置測定を行うことができれば、原点復帰工程を省略することができるため、装置の初期化に要する時間を短縮できる。そこで、絶対位置を測定可能な光干渉測長装置として、波長可変光源を用い、光源の波長を変化させることで絶対位置測定を行う光干渉測長装置が提案されている（特許文献１参照）。この光干渉測長装置は、移動反射鏡が設置された移動体を固定体上に固定した状態で、光源波長の微小変化によって得られる干渉光の位相変化が移動反射鏡の絶対位置に比例することを利用して、移動反射鏡の絶対位置測定を行う。波長可変光源の具体例として半導体レーザが用いられており、絶対位置測定を行う際は半導体レーザの電流変調によって発振波長の変調を行う。その後、光源波長を一定とした状態で、前工程で得られた絶対位置を基準として移動反射鏡の相対移動量を測定しながら、移動体の位置決めを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５４７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら精密測長の分野で広く用いられている光干渉測長装置の光源は、波長安定化ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）ガスレーザである。なぜなら、半導体レーザには波長安定性が波長安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザに比べ大幅に劣るという問題があるからである。波長安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長安定性は、一例では±１０ｐｐｂ／（レーザ光源寿命）であるのに対し、半導体レーザの波長安定性は、一例では２．３ｐｐｍ／２００００ｈである。このように光源の波長安定性が低いと、移動反射鏡の相対移動量を長時間測定する際に、測定精度が低下する問題が生じる。
【０００７】
本発明は、装置を初期化する際に、短時間で移動体の絶対位置を測定可能であり、なおかつ長時間に渡り安定して移動体の移動量を測定できる光干渉測長装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光干渉測長装置は、ガイドに沿って移動する移動体の移動量を測定する光干渉測長装置において、光を測定光と参照光に分離する手段と、前記測定光を、前記移動体に設置された測定ミラーによって反射させる測定光路と、前記参照光を、参照ミラーによって反射させる参照光路と、前記測定光と前記参照光の干渉光から、前記移動体の移動量を測定する干渉計と、前記測定光路の屈折率を変化させる手段と、を有し、前記測定光路の屈折率の変化による前記干渉計の測長値の変化から、前記移動体の絶対位置を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
測定光路の屈折率変化によって得られる干渉光の位相変化が、移動体に設置された測定ミラーの絶対位置に比例することを利用して、移動体の絶対位置を測定する。絶対位置測定を行う際に光源の波長を変化させる必要がないため、光源に波長安定性が優れた波長安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザなどを用いることが可能であり、長時間に渡り安定した移動体の移動量測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る位置決め装置を示す図である。
【図２】絶対位置測定分解能を説明するグラフである。
【図３】絶対位置測定精度を示す説明するグラフである。
【図４】第２の実施形態に係る絶対位置測定方法を説明する図である。
【図５】第３の実施形態に係る位置決め装置を示す図である。
【図６】第４の実施形態に係る位置決め装置を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）はスライダの干渉計収容空間を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第1の実施形態による光干渉測長装置によって測定される位置に基づいてステージの位置決めを行う位置決め装置を示す。干渉計を含む位置決め装置は、真空ポンプ１によって内部を減圧可能なチャンバー２に収容されており、干渉計の測定光路を減圧することが可能となっている。チャンバー２内の圧力は、真空ポンプ１の排気速度の増減、不図示の排気流量調整バルブの調整、不図示のゲートバルブの解放などを行うことにより、大気圧以下の領域において減圧だけでなく増圧も可能である。
【００１２】
レーザ光源３は、中心波長λで、互いに直交する偏光方位を有し、波長がわずかに異なる光であるレーザビームを出射する。レーザ光源３から出射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ４に入射して、測定光路を通過する測定光と、参照光路を通過する参照光とに分離される。干渉計は、偏光ビームスプリッタ４、１／４波長板５、６、コーナーキューブ７、参照ミラー８、測定ミラー９によって構成される。
【００１３】
レーザ光源３から出射された後、偏光ビームスプリッタ４に最初に入射した際に反射される光束は、測定光となる。偏光ビームスプリッタ４で反射された測定光は移動体であるスライダ１０に設置された測定ミラー９で反射されるとともに、１／４波長板５を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４を透過し、コーナーキューブ７に入射する。コーナーキューブ７で反射された測定光は、再び偏光ビームスプリッタ４を透過し、測定ミラー９で反射されるとともに、１／４波長板５を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４で反射され、集光器１１に入射する。
【００１４】
レーザ光源３から出射された後、偏光ビームスプリッタ４に最初に入射した際に、偏光ビームスプリッタ４を透過する光束は参照光となる。偏光ビームスプリッタ４を透過した参照光は、参照ミラー８で反射されるとともに、１／４波長板６を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４で反射され、コーナーキューブ７に入射する。コーナーキューブ７で反射された参照光は再び偏光ビームスプリッタ４で反射され、参照ミラー８で反射されるとともに、１／４波長板６を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４を透過し、測定光と干渉して集光器１１に入射する。
【００１５】
集光器１１に入射した測定光と参照光の干渉光は、光電変換器１２に入射し、電気信号に変換されて測定信号となる。また、レーザ光源３内部において、中心波長λで、波長がわずかに異なるレーザビームを直接干渉させ、得られた干渉光を光電変換器１３において電気信号に変換することにより、基準信号が生成される。測定信号と基準信号はともに位相計１４に入力され、基準信号に対する測定信号の位相変化量を積算することにより、測定ミラー９の相対変位を測定することができる。
【００１６】
本実施形態においては、測定ミラーにビームを２回反射させるダブルパス干渉計を示しているが、本発明は干渉計のパス数に制限を受けるものではない。また、干渉計全体がチャンバー内部に収容されているが、測定ミラーを含む測定光路の少なくとも一部が、減圧ないし増圧可能な空間内に収容されていてもよい。
【００１７】
位置決め装置の位置測定対象となるスライダ１０は、静圧空気案内や転がり案内などによりガイド１５に対し支持され、不図示のリニアモータ等のアクチュエータにより駆動されるステージを構成する。光干渉測長装置によって得られるスライダ位置情報（移動体の移動量）に基づき、ＰＩＤ制御等の手法によりアクチュエータを駆動してスライダが位置決めされるが、その制御方法の詳細に関しては公知であるため省略する。
【００１８】
次に、絶対位置測定方法について述べる。絶対位置の測定時には、スライダ１０をガイド１５に対して固定しておく。スライダ１０の案内に静圧空気案内を用いる場合、静圧空気案内への圧縮空気の供給を停止し、スライダ１０をガイド１５に着座させることで、スライダ１０をガイド１５に固定することができる。絶対位置の測定には、レーザ光路（測定光路）の屈折率の変化により、干渉計の測長値ＸＭが変化する特性を用いる。チャンバー内部が完全な真空（屈折率＝１）となっている場合、干渉計の測長値ＸＭは真の距離ｘに等しい。
ＸＭ＝ ｘ （１）
【００１９】
また、屈折率ｎ（例：大気中でｎ＝１．０００３）での測長値ＸＭは
ＸＭ＝ｎｘ （２）
となる。屈折率がΔｎ変化した場合の測長値変化は、
ΔＸＭ＝Δｎｘ （３）
となる。そこで、屈折率を変化させる手段を用いて、屈折率がΔｎ変化した場合の測長値変化ΔＸＭを測定し、式（３）より導かれる以下の式に基づいて、移動体（スライダ１０）の絶対位置を測定するものである。
ｘ＝ΔＸＭ ／Δｎ （４）
【００２０】
屈折率を変化させる具体的な手段として、本実施形態ではレーザ光路の気圧の減圧又は増圧を用いる。大気圧付近での空気の屈折率は以下に示すエドレンの式で表されることが一般的に知られている。
【００２１】
【数１】
ただし、Ｐは大気の圧力（単位ｍｍＨｇ）、Ｔは温度（単位℃）、Ｆは大気中の水蒸気分圧（単位ｍｍＨｇ）である。水蒸気分圧Ｆは相対湿度Ｈ［％］と飽和水蒸気圧Ｆｓを用いると、
Ｆ＝ＨＦｓ／１００ （６）
と表される。飽和水蒸気圧Ｆｓは温度Ｔによって一義的に定まり、以下の式で表される。
【００２２】
【数２】
【００２３】
エドレンの式は式（５）に示すように、ｎ＝１＋（圧力１乗・温度項）＋（圧力２乗・温度項）＋（水蒸気分圧項）の形となっている。大気圧以下に圧力を減圧した場合の式（５）の適用範囲は、米国標準技術局（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）のホームページによると１０ｋＰａ以上とされている。これは、式（５）にＰ＝０を代入しても屈折率が１にならないことからも明らかなように、大きな圧力変化が生じた際の水蒸気分圧の変化を考慮していないからである。
【００２４】
ここで、温度一定の環境下で、ある水蒸気分圧を有する大気で満たされた系が真空ポンプなどを用いて減圧された際の屈折率変化を考える。水蒸気分圧は単位体積あたりの水蒸気量に比例するので、大気が満たされた系全体が減圧される場合、系全体の圧力減少に比例して水蒸気分圧も減少する。したがって、系全体が大気圧から大幅に減圧される場合、通常のエドレンの式をそのまま適用することはできず、系全体の圧力減少に比例した水蒸気分圧の減少を考慮する必要がある。
【００２５】
これを考慮するためにはエドレンの式に含まれる水蒸気分圧の項を、（大気圧での水蒸気分圧）×（減圧後の圧力）／（大気圧）に置き換えればよい。減圧後の圧力をＰ［ｍｍＨｇ］、減圧前の大気圧をＰａｔｍ［ｍｍＨｇ］とすると、減圧環境下での適用のために修正されたエドレンの式は、
【００２６】
【数３】
となる。よって温度Ｔが一定の状態で圧力を減圧すると、系の屈折率は圧力のみを変数とする関数ｎ（Ｐ）で算出することができる。本実施形態において、図１に示すチャンバー内の圧力がＰ１からＰ２（Ｐ１＞Ｐ２）に変化した場合、系の屈折率変化ΔｎはΔｎ＝ｎ（Ｐ２）−ｎ（Ｐ１）であるから、式（４）よりスライダの絶対位置は
ｘ＝ΔＸＭ／（ｎ（Ｐ２）−ｎ（Ｐ１）） （９）
で求められる。具体例として、大気圧Ｐａｔｍ ＝７６０ｍｍＨｇ（＝１０１３．２５ｈＰａ）、温度Ｔ＝２３℃、相対湿度Ｈ＝５０％の状態から圧力Ｐ［ｍｍＨｇ］まで減圧した場合を考える。式（６）〜（８）より、この場合の屈折率は次式で表される。
ｎ（Ｐ）＝１＋（３．５３８４×１０−７Ｐ）＋（１．８０８５×１０−１３Ｐ２）−（７．７７１９×１０−１０Ｐ）＝１＋（３．５３０６×１０−７Ｐ）＋（１．８０８５×１０−１３Ｐ２） （１０）
【００２７】
以下では圧力Ｐの単位としてＰａを用いる。式（１０）の圧力Ｐの単位をｍｍＨｇからＰａに変換すると、
ｎ（Ｐ）＝１＋（２．６４８４×１０−９Ｐ）＋（１．０１７６×１０−１７Ｐ２） （１１）
となる。したがって式（９）、（１１）より絶対位置ｘを求めることができる。
【００２８】
本実施形態では、レーザ光路を減圧可能なチャンバー内に収容することにより、短時間でレーザ光路の屈折率を変化させることを可能としている。また、絶対位置の測定精度を高めるためには、屈折率の変化を正確に把握することが必要である。したがって屈折率の変化を精密に測定する手段を用いることが望ましい。
【００２９】
本実施形態では、真空計１６によりチャンバー内のＰ１からＰ２への圧力変化を測定することにより、式（８）に基づいて屈折率変化を測定することができる。また、式（８）には圧力Ｐ以外に、温度Ｔ、水蒸気分圧Ｆ、大気圧Ｐａｔｍが未知数として含まれているが、各未知数をセンサで測定することにより屈折率変化の測定精度を高めることができる。本実施形態では不図示の温度計を用いることで空気の温度Ｔが測定される。また、不図示の湿度計により測定された相対湿度Ｈと空気の温度Ｔの値を用いて、式（６）、（７）に従って水蒸気分圧Ｆが測定される。大気圧Ｐａｔｍは、不図示の気圧計により測定される。なお、本実施形態では絶対位置測定を行う際の圧力変化は、圧力減少として説明してきたが、圧力増加としても同様の測定を行うことができる。また絶対位置を測定する際には、必ずしも圧力変化を測定する必要はなく、Ｐ１、Ｐ２の値として装置の圧力特性に合致する一定の値を用いてもよい。同様に、温度Ｔ、水蒸気分圧Ｆ、大気圧Ｐａｔｍの各未知数に関しても、必ずしも測定値を用いる必要はなく、標準的な一定の値を用いても構わない。
【００３０】
次に、本発明によって得られる絶対位置の測定分解能について、本実施形態を例として述べる。式（１１）において、Ｐが大気圧（１０５Ｐａ）以下の領域では圧力２乗項は圧力１乗項に比べ小さい（１０−３倍以下）値となる。ここでは絶対位置測定分解能に関する議論を簡単にするため、屈折率計算式として式（１１）の圧力２乗項を無視した次式を用いる。
ｎ（Ｐ）＝１＋２．６４８４×１０−９Ｐ （１２）
【００３１】
なお、ここで屈折率計算式として式（１２）を用いるのは、あくまで議論を簡単にするためであり、絶対位置の測定精度を高めるためには、式（１１）を用いることが望ましい。
【００３２】
ΔＰ＝ Ｐ１−Ｐ２とすると、式（９）、（１２）よりスライダ絶対位置の計算式は、
【００３３】
【数４】
となる。ここで圧力変化ΔＰ［Ｐａ］により生じる測長値変化ΔＸＭが干渉計分解能Ｒと等しくなる場合の距離ｘが、絶対位置測定分解能である。絶対位置測定分解能をｘＲとすると、式（１３）にｘ＝ ｘＲ、ΔＸＭ＝Ｒを代入して、
【００３４】
【数５】
と書ける。図２にｘＲとＲの関係を示す。現在市販されているレーザ干渉測長システムでは、ダブルパス干渉計を用いた場合に０．１５ｎｍの分解能を得ることができる。そこで干渉計の分解能Ｒを０．１５ｎｍとすると、式（１４）より圧力変化ΔＰの大きさに応じて次のような絶対位置測定分解能ｘＲを得ることができる。
ΔＰ＝１０３Ｐａの場合、ｘＲ＝５６．６μｍ
ΔＰ＝１０４Ｐａの場合、ｘＲ＝５．６６μｍ
ΔＰ＝１０５Ｐａの場合、ｘＲ＝０．５６６μｍ
【００３５】
次に、絶対位置の測定誤差について述べる。ここでも議論を簡単にするため、屈折率計算式として式（１２）を用いる。測定誤差が発生する要因として、圧力変化ΔＰの測定誤差が上げられる。ΔＰの誤差をｄ（ΔＰ）、ΔＰの誤差により生じるｘＲの誤差をｘＲＥとすると、
【００３６】
【数６】
と書ける。式（１４）を式（１５）に代入して
【００３７】
【数７】
ΔＰの誤差ｄ（ΔＰ）は真空計１６の圧力測定誤差であるから、真空計の分解能に等しいものとする。市販の真空計によって測定フルスケールの１０−４倍の分解能が得られるので、簡易的に
ｄ（ΔＰ）＝ ΔＰ×１０−４ （１７）
と書ける。式（１６）に式（１７）を代入すると、式（１４）より、
【００３８】
【数８】
と書ける。絶対位置の測定誤差は、測定分解能の誤差が累積したものとなるから、式（１８）より測定距離の１０−４倍の測定誤差が生じることが分かる。したがって、
測定距離１ｍｍの場合、測定誤差０．１μｍ
測定距離１０ｍｍの場合、測定誤差１μｍ
測定距離１００ｍｍの場合、測定誤差１０μｍ
となる。例えば圧力変化を１０４Ｐａとした場合、ｘＲ＝５．６６μｍであるから、絶対位置の測定距離と測定精度の関係を示すと図３のグラフのようになる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係るもので、干渉計１９によって位置を測定される位置決め装置を示している。干渉計１９と測定ミラー９の間の測定光路は、不図示の減圧可能なチャンバー内に収容されることにより、大気圧以下の領域において減圧又は増圧が可能である。レーザ光路を減圧又は増圧する方法は、第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。本実施形態では、第１の実施形態で述べた測定方法により得られる絶対位置測定値に含まれる、部材の弾性変形に起因する測定誤差を補正する。
【００４０】
本実施形態で用いる絶対位置測定方法は、干渉計のレーザ光路の圧力変化によって得られる干渉計の測長値変化ΔＸＭを用いる点に関しては第１の実施形態と同様である。ここでは例として、チャンバー９内の圧力をＰ１＝１０４ＰａからＰ２＝１０Ｐａまで減少させることにより絶対位置測定を行うものとする。図４において、Ｌは圧力Ｐ１における測定ミラー９の厚みとスライダ１０の長さを合わせた長さである。式（１１）より屈折率変化Δｎを求めると、
Δｎ＝ ｎ（Ｐ２）−ｎ（Ｐ１）＝−２．６４５８×１０−５ （１９）
である。ところが、この過程において圧力変化によって測定ミラー９、スライダ１０及び干渉計１９が弾性変形するため、圧力変化による干渉計の測長値変化ΔＸＭには、絶対位置ｘの測定において誤差となる、弾性変形に起因した測長値の変化が含まれている。以下ではこの誤差の補正を含む絶対位置の測定方法について述べる。
【００４１】
圧力Ｐ１における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離をｘ１、圧力Ｐ２における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離をｘ２とする。測定ミラー９の厚みはスライダ１０の長さに比べ非常に小さいので、圧力変化の際に生じる測定ミラー９の変形は無視できるものとする。また、本実施形態で用いる干渉計１９内部においては、測長光と参照光は共通の光路を通るため、干渉計１９の弾性変形は測長光と参照光に等しく影響を及ぼす。したがって本実施形態においては、干渉計１９の弾性変形による測長値変化は無視できるものとする。圧力変化によるスライダ１０の弾性変形量をΔＬ、スライダ１０の材質のヤング率をＥとすると、
ΔＬ＝Ｌ（Ｐ２−Ｐ１）／Ｅ （２０）
である。圧力変化による干渉計１９の測長値変化ΔＸＭには、スライダ１０の弾性変形による測定ミラー９の変位が含まれている。スライダ１０の弾性変形を考慮すると、以下の式が成り立つ。
ΔＸＭ ＝Δｎ （ｘ１＋ΔＬ／２）＋ΔＬ／２） （２１）
ｘ２＝ ｘ１＋ΔＬ／２ （２２）
式（２１）、（２２）より、
【００４２】
【数９】
となる。圧力変化の際に得られる測長値変化ΔＸＭと、式（１９）を式（２３）、（２４）に代入することにより、圧力Ｐ１における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離ｘ１、圧力Ｐ２における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離ｘ２を求めることができる。
【００４３】
絶対位置を測定した後、位置決め装置は圧力をＰ１もしくはＰ２に固定して運用される。位置決め装置を圧力Ｐ１において運用する場合、絶対距離ｘ１を基準として位置決めを行う。同様に位置決め装置を圧力Ｐ２において運用する場合、絶対距離ｘ２を基準として位置決めを行う。
【００４４】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態を示すもので、気体の置換が可能なチャンバー内に干渉計とステージを含む位置決め装置が収容される。チャンバー２にはゲートバルブ２０、２１を介して、圧縮された気体Ａ、Ｂがそれぞれ封入されたタンク２２、２３が接続される。また、チャンバー内の気体を気体Ａから気体Ｂ、もしくは気体Ｂから気体Ａに置換するために、ゲートバルブ２４を介して真空ポンプ１がチャンバー２に接続される。本実施形態では絶対位置を測定するために、レーザ光路の屈折率を変化させる手段として、初期状態でチャンバー内に充填されている気体を異なる成分の気体に置換する。絶対位置の測定分解能を向上させるためには、気体Ａ、Ｂの屈折率の差は大きいことが望ましい。
【００４５】
以下では気体Ａを空気、気体Ｂをヘリウムとして、本実施形態における絶対位置測定分解能を議論する。０℃、１気圧における空気の屈折率は１．０００２９２、ヘリウムの屈折率は１．００００３５である。チャンバー内の気体を空気からヘリウムに完全に置換した際の、レーザ光路の屈折率変化Δｎは、
Δｎ＝１．００００３５−１．０００２９２＝−０．０００２５７ （２５）
である。式（４）に式（２５）を代入して、
ｘ＝ΔＸＭ ／−０．０００２５７ （２６）
【００４６】
スライダ１０をガイド１５に対し固定した状態で、気体を空気からヘリウムに置換した際に得られる干渉計の測長値変化ΔＸＭより、式（２６）に基づき測定ミラー９の絶対位置ｘを求めることができる。ここで屈折率変化Δｎにより生じる測長値変化ΔＸＭが干渉計分解能Ｒと等しくなる場合の距離ｘが、絶対位置測定分解能である。絶対位置測定分解能をｘＲとすると、式（２６）にｘ＝ ｘＲ、ΔＸＭ＝−Ｒを代入して、
ｘＲ ＝−Ｒ ／−０．０００２５７ （２７）
【００４７】
ダブルパス干渉計の分解能Ｒを０．１５ｎｍとすると、式（２７）より絶対位置測定分解能はｘＲ＝０．５８３μｍとなる。
【００４８】
本実施形態において、チャンバー内の気体の圧力は、気圧計２５を用いて測定され、気体を置換する前後で等しくなるよう制御されることが望ましい。これは気体の屈折率を一定に管理するとともに、気体の圧力変化による構造体の変形を抑制し、絶対位置の測定精度を高めるためである。
【００４９】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態を示すもので、（ａ）に示すように、移動体であるスライダ４０に設けられた干渉計収容空間４１内に干渉計４９の一対のミラー３９が収容される。スライダ４０は静圧空気案内４７によってガイド４５に対し微小な隙間を有する状態で浮上する。図６（ｂ）に示すように、干渉計収容空間４１の外周部には、静圧空気案内と同一の微小隙間を有する非接触シール４６が設けられる。真空ポンプ１を用いて干渉計収容空間４１の真空排気を行うと、非接触シール４６において、微小隙間の大きな流体抵抗による圧力降下が生じ、干渉計収容空間４１の内部を減圧することが可能である。また、干渉計収容空間４１の圧力は、真空ポンプ３１の排気速度の増減、不図示の排気流量調整バルブの調整、不図示のゲートバルブの解放などを行うことにより、大気圧以下の領域において減圧だけでなく増圧も可能である。本実施形態では、必要最小限の容積を有する減圧空間内にレーザ光路を収容することにより、レーザ光路の減圧ないし増圧に要する時間を短縮することができる。
【００５０】
本実施形態における干渉計４９は、対向する一対のミラー３９をスライダ４０に設置し、一方を測定ミラー、他方を参照ミラーとして、それぞれのミラー変位の差分を計測する差動干渉計を構成する。また、干渉計４９は、窓４８を有する真空カバー３２、偏光ビームスプリッタ３４、１／４波長板３５、直角プリズム３６、干渉計ベース３７等を有する。差動干渉計は、通常の干渉計では固定体に設置される参照ミラーを移動体に設置することで、移動体が移動した際の測定光路長の変化を増幅し、測長分解能を向上する効果を有する。
【００５１】
本実施形態における絶対位置測定方法及び位置決め方法は、レーザ光路の圧力を変化させるための装置構成が異なる点以外は、第１の実施形態もしくは第２の実施形態で述べた方法と同一の方法となるため、詳細は省略する。本発明の絶対位置測定方法に差動干渉計を用いるためには、図６（ａ）に示すように、干渉計４９と各ミラー３９の間の測定光路の屈折率を可変とすることが必要条件となる。
【００５２】
本実施形態は、レーザ光路の減圧ないし増圧に要する時間を短縮することにより、絶対位置の測定時間を短縮する効果を有する。
【符号の説明】
【００５３】
１、３１ 真空ポンプ
２ チャンバー
３ レーザ光源
４、３４ 偏光ビームスプリッタ
５、６、３５ １／４波長板
７ コーナーキューブ
８ 参照ミラー
９ 測定ミラー
１０、４０ スライダ
１５、４５ ガイド
１６ 真空計
１９、４９ 干渉計
２２、２３ タンク
３９ ミラー
４１ 干渉計収容空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアステージ等の移動体の移動量を測定するための光干渉測長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の光干渉測長方法では、移動反射鏡によって反射された測定光と、固定反射鏡によって反射された参照光との干渉光を得る干渉計を用い、移動反射鏡の移動に伴って生じる干渉光の位相変化を積算することにより、移動体の移動量を測定する。位相変化の積算により求められる移動量は、移動反射鏡の相対移動量であり、移動反射鏡の絶対位置を求めることはできない。
【０００３】
しかし、精密測長手段として光干渉測長装置が使用されるリニアステージ等の位置決め装置においては、装置を初期化する際に、装置上でのステージの位置を確定するため、ステージの絶対位置測定が要請されるのが一般的である。このため、通常は光干渉測長装置とは別の近接センサなどの手段を用いて原点復帰を行うことで、ステージの絶対位置測定を行っている。
【０００４】
位置決め装置を初期化する際に、ステージを移動することなく光干渉測長装置を用いて絶対位置測定を行うことができれば、原点復帰工程を省略することができるため、装置の初期化に要する時間を短縮できる。そこで、絶対位置を測定可能な光干渉測長装置として、波長可変光源を用い、光源の波長を変化させることで絶対位置測定を行う光干渉測長装置が提案されている（特許文献１参照）。この光干渉測長装置は、移動反射鏡が設置された移動体を固定体上に固定した状態で、光源波長の微小変化によって得られる干渉光の位相変化が移動反射鏡の絶対位置に比例することを利用して、移動反射鏡の絶対位置測定を行う。波長可変光源の具体例として半導体レーザが用いられており、絶対位置測定を行う際は半導体レーザの電流変調によって発振波長の変調を行う。その後、光源波長を一定とした状態で、前工程で得られた絶対位置を基準として移動反射鏡の相対移動量を測定しながら、移動体の位置決めを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５４７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら精密測長の分野で広く用いられている光干渉測長装置の光源は、波長安定化ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）ガスレーザである。なぜなら、半導体レーザには波長安定性が波長安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザに比べ大幅に劣るという問題があるからである。波長安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長安定性は、一例では±１０ｐｐｂ／（レーザ光源寿命）であるのに対し、半導体レーザの波長安定性は、一例では２．３ｐｐｍ／２００００ｈである。このように光源の波長安定性が低いと、移動反射鏡の相対移動量を長時間測定する際に、測定精度が低下する問題が生じる。
【０００７】
本発明は、装置を初期化する際に、短時間で移動体の絶対位置を測定可能であり、なおかつ長時間に渡り安定して移動体の移動量を測定できる光干渉測長装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光干渉測長装置は、ガイドに沿って移動する移動体の移動量を測定する光干渉測長装置において、光を測定光と参照光に分離する手段と、前記測定光を、前記移動体に設置された測定ミラーによって反射させる測定光路と、前記参照光を、参照ミラーによって反射させる参照光路と、前記測定光と前記参照光の干渉光から、前記移動体の移動量を測定する干渉計と、前記測定光路の屈折率を変化させる手段と、を有し、前記測定光路の屈折率の変化による前記干渉計の測長値の変化から、前記移動体の絶対位置を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
測定光路の屈折率変化によって得られる干渉光の位相変化が、移動体に設置された測定ミラーの絶対位置に比例することを利用して、移動体の絶対位置を測定する。絶対位置測定を行う際に光源の波長を変化させる必要がないため、光源に波長安定性が優れた波長安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザなどを用いることが可能であり、長時間に渡り安定した移動体の移動量測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る位置決め装置を示す図である。
【図２】絶対位置測定分解能を説明するグラフである。
【図３】絶対位置測定精度を示す説明するグラフである。
【図４】第２の実施形態に係る絶対位置測定方法を説明する図である。
【図５】第３の実施形態に係る位置決め装置を示す図である。
【図６】第４の実施形態に係る位置決め装置を示すもので、（ａ）はその模式断面図、（ｂ）はスライダの干渉計収容空間を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第1の実施形態による光干渉測長装置によって測定される位置に基づいてステージの位置決めを行う位置決め装置を示す。干渉計を含む位置決め装置は、真空ポンプ１によって内部を減圧可能なチャンバー２に収容されており、干渉計の測定光路を減圧することが可能となっている。チャンバー２内の圧力は、真空ポンプ１の排気速度の増減、不図示の排気流量調整バルブの調整、不図示のゲートバルブの解放などを行うことにより、大気圧以下の領域において減圧だけでなく増圧も可能である。
【００１２】
レーザ光源３は、中心波長λで、互いに直交する偏光方位を有し、波長がわずかに異なる光であるレーザビームを出射する。レーザ光源３から出射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ４に入射して、測定光路を通過する測定光と、参照光路を通過する参照光とに分離される。干渉計は、偏光ビームスプリッタ４、１／４波長板５、６、コーナーキューブ７、参照ミラー８、測定ミラー９によって構成される。
【００１３】
レーザ光源３から出射された後、偏光ビームスプリッタ４に最初に入射した際に反射される光束は、測定光となる。偏光ビームスプリッタ４で反射された測定光は移動体であるスライダ１０に設置された測定ミラー９で反射されるとともに、１／４波長板５を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４を透過し、コーナーキューブ７に入射する。コーナーキューブ７で反射された測定光は、再び偏光ビームスプリッタ４を透過し、測定ミラー９で反射されるとともに、１／４波長板５を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４で反射され、集光器１１に入射する。
【００１４】
レーザ光源３から出射された後、偏光ビームスプリッタ４に最初に入射した際に、偏光ビームスプリッタ４を透過する光束は参照光となる。偏光ビームスプリッタ４を透過した参照光は、参照ミラー８で反射されるとともに、１／４波長板６を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４で反射され、コーナーキューブ７に入射する。コーナーキューブ７で反射された参照光は再び偏光ビームスプリッタ４で反射され、参照ミラー８で反射されるとともに、１／４波長板６を２回通過し偏光方位が９０°回転することにより偏光ビームスプリッタ４を透過し、測定光と干渉して集光器１１に入射する。
【００１５】
集光器１１に入射した測定光と参照光の干渉光は、光電変換器１２に入射し、電気信号に変換されて測定信号となる。また、レーザ光源３内部において、中心波長λで、波長がわずかに異なるレーザビームを直接干渉させ、得られた干渉光を光電変換器１３において電気信号に変換することにより、基準信号が生成される。測定信号と基準信号はともに位相計１４に入力され、基準信号に対する測定信号の位相変化量を積算することにより、測定ミラー９の相対変位を測定することができる。
【００１６】
本実施形態においては、測定ミラーにビームを２回反射させるダブルパス干渉計を示しているが、本発明は干渉計のパス数に制限を受けるものではない。また、干渉計全体がチャンバー内部に収容されているが、測定ミラーを含む測定光路の少なくとも一部が、減圧ないし増圧可能な空間内に収容されていてもよい。
【００１７】
位置決め装置の位置測定対象となるスライダ１０は、静圧空気案内や転がり案内などによりガイド１５に対し支持され、不図示のリニアモータ等のアクチュエータにより駆動されるステージを構成する。光干渉測長装置によって得られるスライダ位置情報（移動体の移動量）に基づき、ＰＩＤ制御等の手法によりアクチュエータを駆動してスライダが位置決めされるが、その制御方法の詳細に関しては公知であるため省略する。
【００１８】
次に、絶対位置測定方法について述べる。絶対位置の測定時には、スライダ１０をガイド１５に対して固定しておく。スライダ１０の案内に静圧空気案内を用いる場合、静圧空気案内への圧縮空気の供給を停止し、スライダ１０をガイド１５に着座させることで、スライダ１０をガイド１５に固定することができる。絶対位置の測定には、レーザ光路（測定光路）の屈折率の変化により、干渉計の測長値ＸＭが変化する特性を用いる。チャンバー内部が完全な真空（屈折率＝１）となっている場合、干渉計の測長値ＸＭは真の距離ｘに等しい。
ＸＭ＝ ｘ （１）
【００１９】
また、屈折率ｎ（例：大気中でｎ＝１．０００３）での測長値ＸＭは
ＸＭ＝ｎｘ （２）
となる。屈折率がΔｎ変化した場合の測長値変化は、
ΔＸＭ＝Δｎｘ （３）
となる。そこで、屈折率を変化させる手段を用いて、屈折率がΔｎ変化した場合の測長値変化ΔＸＭを測定し、式（３）より導かれる以下の式に基づいて、移動体（スライダ１０）の絶対位置を測定するものである。
ｘ＝ΔＸＭ ／Δｎ （４）
【００２０】
屈折率を変化させる具体的な手段として、本実施形態ではレーザ光路の気圧の減圧又は増圧を用いる。大気圧付近での空気の屈折率は以下に示すエドレンの式で表されることが一般的に知られている。
【００２１】
【数１】
ただし、Ｐは大気の圧力（単位ｍｍＨｇ）、Ｔは温度（単位℃）、Ｆは大気中の水蒸気分圧（単位ｍｍＨｇ）である。水蒸気分圧Ｆは相対湿度Ｈ［％］と飽和水蒸気圧Ｆｓを用いると、
Ｆ＝ＨＦｓ／１００ （６）
と表される。飽和水蒸気圧Ｆｓは温度Ｔによって一義的に定まり、以下の式で表される。
【００２２】
【数２】
【００２３】
エドレンの式は式（５）に示すように、ｎ＝１＋（圧力１乗・温度項）＋（圧力２乗・温度項）＋（水蒸気分圧項）の形となっている。大気圧以下に圧力を減圧した場合の式（５）の適用範囲は、米国標準技術局（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）のホームページによると１０ｋＰａ以上とされている。これは、式（５）にＰ＝０を代入しても屈折率が１にならないことからも明らかなように、大きな圧力変化が生じた際の水蒸気分圧の変化を考慮していないからである。
【００２４】
ここで、温度一定の環境下で、ある水蒸気分圧を有する大気で満たされた系が真空ポンプなどを用いて減圧された際の屈折率変化を考える。水蒸気分圧は単位体積あたりの水蒸気量に比例するので、大気が満たされた系全体が減圧される場合、系全体の圧力減少に比例して水蒸気分圧も減少する。したがって、系全体が大気圧から大幅に減圧される場合、通常のエドレンの式をそのまま適用することはできず、系全体の圧力減少に比例した水蒸気分圧の減少を考慮する必要がある。
【００２５】
これを考慮するためにはエドレンの式に含まれる水蒸気分圧の項を、（大気圧での水蒸気分圧）×（減圧後の圧力）／（大気圧）に置き換えればよい。減圧後の圧力をＰ［ｍｍＨｇ］、減圧前の大気圧をＰａｔｍ［ｍｍＨｇ］とすると、減圧環境下での適用のために修正されたエドレンの式は、
【００２６】
【数３】
となる。よって温度Ｔが一定の状態で圧力を減圧すると、系の屈折率は圧力のみを変数とする関数ｎ（Ｐ）で算出することができる。本実施形態において、図１に示すチャンバー内の圧力がＰ１からＰ２（Ｐ１＞Ｐ２）に変化した場合、系の屈折率変化ΔｎはΔｎ＝ｎ（Ｐ２）−ｎ（Ｐ１）であるから、式（４）よりスライダの絶対位置は
ｘ＝ΔＸＭ／（ｎ（Ｐ２）−ｎ（Ｐ１）） （９）
で求められる。具体例として、大気圧Ｐａｔｍ ＝７６０ｍｍＨｇ（＝１０１３．２５ｈＰａ）、温度Ｔ＝２３℃、相対湿度Ｈ＝５０％の状態から圧力Ｐ［ｍｍＨｇ］まで減圧した場合を考える。式（６）〜（８）より、この場合の屈折率は次式で表される。
ｎ（Ｐ）＝１＋（３．５３８４×１０−７Ｐ）＋（１．８０８５×１０−１３Ｐ２）−（７．７７１９×１０−１０Ｐ）＝１＋（３．５３０６×１０−７Ｐ）＋（１．８０８５×１０−１３Ｐ２） （１０）
【００２７】
以下では圧力Ｐの単位としてＰａを用いる。式（１０）の圧力Ｐの単位をｍｍＨｇからＰａに変換すると、
ｎ（Ｐ）＝１＋（２．６４８４×１０−９Ｐ）＋（１．０１７６×１０−１７Ｐ２） （１１）
となる。したがって式（９）、（１１）より絶対位置ｘを求めることができる。
【００２８】
本実施形態では、レーザ光路を減圧可能なチャンバー内に収容することにより、短時間でレーザ光路の屈折率を変化させることを可能としている。また、絶対位置の測定精度を高めるためには、屈折率の変化を正確に把握することが必要である。したがって屈折率の変化を精密に測定する手段を用いることが望ましい。
【００２９】
本実施形態では、真空計１６によりチャンバー内のＰ１からＰ２への圧力変化を測定することにより、式（８）に基づいて屈折率変化を測定することができる。また、式（８）には圧力Ｐ以外に、温度Ｔ、水蒸気分圧Ｆ、大気圧Ｐａｔｍが未知数として含まれているが、各未知数をセンサで測定することにより屈折率変化の測定精度を高めることができる。本実施形態では不図示の温度計を用いることで空気の温度Ｔが測定される。また、不図示の湿度計により測定された相対湿度Ｈと空気の温度Ｔの値を用いて、式（６）、（７）に従って水蒸気分圧Ｆが測定される。大気圧Ｐａｔｍは、不図示の気圧計により測定される。なお、本実施形態では絶対位置測定を行う際の圧力変化は、圧力減少として説明してきたが、圧力増加としても同様の測定を行うことができる。また絶対位置を測定する際には、必ずしも圧力変化を測定する必要はなく、Ｐ１、Ｐ２の値として装置の圧力特性に合致する一定の値を用いてもよい。同様に、温度Ｔ、水蒸気分圧Ｆ、大気圧Ｐａｔｍの各未知数に関しても、必ずしも測定値を用いる必要はなく、標準的な一定の値を用いても構わない。
【００３０】
次に、本発明によって得られる絶対位置の測定分解能について、本実施形態を例として述べる。式（１１）において、Ｐが大気圧（１０５Ｐａ）以下の領域では圧力２乗項は圧力１乗項に比べ小さい（１０−３倍以下）値となる。ここでは絶対位置測定分解能に関する議論を簡単にするため、屈折率計算式として式（１１）の圧力２乗項を無視した次式を用いる。
ｎ（Ｐ）＝１＋２．６４８４×１０−９Ｐ （１２）
【００３１】
なお、ここで屈折率計算式として式（１２）を用いるのは、あくまで議論を簡単にするためであり、絶対位置の測定精度を高めるためには、式（１１）を用いることが望ましい。
【００３２】
ΔＰ＝ Ｐ１−Ｐ２とすると、式（９）、（１２）よりスライダ絶対位置の計算式は、
【００３３】
【数４】
となる。ここで圧力変化ΔＰ［Ｐａ］により生じる測長値変化ΔＸＭが干渉計分解能Ｒと等しくなる場合の距離ｘが、絶対位置測定分解能である。絶対位置測定分解能をｘＲとすると、式（１３）にｘ＝ ｘＲ、ΔＸＭ＝Ｒを代入して、
【００３４】
【数５】
と書ける。図２にｘＲとＲの関係を示す。現在市販されているレーザ干渉測長システムでは、ダブルパス干渉計を用いた場合に０．１５ｎｍの分解能を得ることができる。そこで干渉計の分解能Ｒを０．１５ｎｍとすると、式（１４）より圧力変化ΔＰの大きさに応じて次のような絶対位置測定分解能ｘＲを得ることができる。
ΔＰ＝１０３Ｐａの場合、ｘＲ＝５６．６μｍ
ΔＰ＝１０４Ｐａの場合、ｘＲ＝５．６６μｍ
ΔＰ＝１０５Ｐａの場合、ｘＲ＝０．５６６μｍ
【００３５】
次に、絶対位置の測定誤差について述べる。ここでも議論を簡単にするため、屈折率計算式として式（１２）を用いる。測定誤差が発生する要因として、圧力変化ΔＰの測定誤差が上げられる。ΔＰの誤差をｄ（ΔＰ）、ΔＰの誤差により生じるｘＲの誤差をｘＲＥとすると、
【００３６】
【数６】
と書ける。式（１４）を式（１５）に代入して
【００３７】
【数７】
ΔＰの誤差ｄ（ΔＰ）は真空計１６の圧力測定誤差であるから、真空計の分解能に等しいものとする。市販の真空計によって測定フルスケールの１０−４倍の分解能が得られるので、簡易的に
ｄ（ΔＰ）＝ ΔＰ×１０−４ （１７）
と書ける。式（１６）に式（１７）を代入すると、式（１４）より、
【００３８】
【数８】
と書ける。絶対位置の測定誤差は、測定分解能の誤差が累積したものとなるから、式（１８）より測定距離の１０−４倍の測定誤差が生じることが分かる。したがって、
測定距離１ｍｍの場合、測定誤差０．１μｍ
測定距離１０ｍｍの場合、測定誤差１μｍ
測定距離１００ｍｍの場合、測定誤差１０μｍ
となる。例えば圧力変化を１０４Ｐａとした場合、ｘＲ＝５．６６μｍであるから、絶対位置の測定距離と測定精度の関係を示すと図３のグラフのようになる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係るもので、干渉計１９によって位置を測定される位置決め装置を示している。干渉計１９と測定ミラー９の間の測定光路は、不図示の減圧可能なチャンバー内に収容されることにより、大気圧以下の領域において減圧又は増圧が可能である。レーザ光路を減圧又は増圧する方法は、第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。本実施形態では、第１の実施形態で述べた測定方法により得られる絶対位置測定値に含まれる、部材の弾性変形に起因する測定誤差を補正する。
【００４０】
本実施形態で用いる絶対位置測定方法は、干渉計のレーザ光路の圧力変化によって得られる干渉計の測長値変化ΔＸＭを用いる点に関しては第１の実施形態と同様である。ここでは例として、チャンバー９内の圧力をＰ１＝１０４ＰａからＰ２＝１０Ｐａまで減少させることにより絶対位置測定を行うものとする。図４において、Ｌは圧力Ｐ１における測定ミラー９の厚みとスライダ１０の長さを合わせた長さである。式（１１）より屈折率変化Δｎを求めると、
Δｎ＝ ｎ（Ｐ２）−ｎ（Ｐ１）＝−２．６４５８×１０−５ （１９）
である。ところが、この過程において圧力変化によって測定ミラー９、スライダ１０及び干渉計１９が弾性変形するため、圧力変化による干渉計の測長値変化ΔＸＭには、絶対位置ｘの測定において誤差となる、弾性変形に起因した測長値の変化が含まれている。以下ではこの誤差の補正を含む絶対位置の測定方法について述べる。
【００４１】
圧力Ｐ１における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離をｘ１、圧力Ｐ２における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離をｘ２とする。測定ミラー９の厚みはスライダ１０の長さに比べ非常に小さいので、圧力変化の際に生じる測定ミラー９の変形は無視できるものとする。また、本実施形態で用いる干渉計１９内部においては、測長光と参照光は共通の光路を通るため、干渉計１９の弾性変形は測長光と参照光に等しく影響を及ぼす。したがって本実施形態においては、干渉計１９の弾性変形による測長値変化は無視できるものとする。圧力変化によるスライダ１０の弾性変形量をΔＬ、スライダ１０の材質のヤング率をＥとすると、
ΔＬ＝Ｌ（Ｐ２−Ｐ１）／Ｅ （２０）
である。圧力変化による干渉計１９の測長値変化ΔＸＭには、スライダ１０の弾性変形による測定ミラー９の変位が含まれている。スライダ１０の弾性変形を考慮すると、以下の式が成り立つ。
ΔＸＭ ＝Δｎ （ｘ１＋ΔＬ／２）＋ΔＬ／２） （２１）
ｘ２＝ ｘ１＋ΔＬ／２ （２２）
式（２１）、（２２）より、
【００４２】
【数９】
となる。圧力変化の際に得られる測長値変化ΔＸＭと、式（１９）を式（２３）、（２４）に代入することにより、圧力Ｐ１における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離ｘ１、圧力Ｐ２における測定ミラー９と干渉計１９との絶対距離ｘ２を求めることができる。
【００４３】
絶対位置を測定した後、位置決め装置は圧力をＰ１もしくはＰ２に固定して運用される。位置決め装置を圧力Ｐ１において運用する場合、絶対距離ｘ１を基準として位置決めを行う。同様に位置決め装置を圧力Ｐ２において運用する場合、絶対距離ｘ２を基準として位置決めを行う。
【００４４】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態を示すもので、気体の置換が可能なチャンバー内に干渉計とステージを含む位置決め装置が収容される。チャンバー２にはゲートバルブ２０、２１を介して、圧縮された気体Ａ、Ｂがそれぞれ封入されたタンク２２、２３が接続される。また、チャンバー内の気体を気体Ａから気体Ｂ、もしくは気体Ｂから気体Ａに置換するために、ゲートバルブ２４を介して真空ポンプ１がチャンバー２に接続される。本実施形態では絶対位置を測定するために、レーザ光路の屈折率を変化させる手段として、初期状態でチャンバー内に充填されている気体を異なる成分の気体に置換する。絶対位置の測定分解能を向上させるためには、気体Ａ、Ｂの屈折率の差は大きいことが望ましい。
【００４５】
以下では気体Ａを空気、気体Ｂをヘリウムとして、本実施形態における絶対位置測定分解能を議論する。０℃、１気圧における空気の屈折率は１．０００２９２、ヘリウムの屈折率は１．００００３５である。チャンバー内の気体を空気からヘリウムに完全に置換した際の、レーザ光路の屈折率変化Δｎは、
Δｎ＝１．００００３５−１．０００２９２＝−０．０００２５７ （２５）
である。式（４）に式（２５）を代入して、
ｘ＝ΔＸＭ ／−０．０００２５７ （２６）
【００４６】
スライダ１０をガイド１５に対し固定した状態で、気体を空気からヘリウムに置換した際に得られる干渉計の測長値変化ΔＸＭより、式（２６）に基づき測定ミラー９の絶対位置ｘを求めることができる。ここで屈折率変化Δｎにより生じる測長値変化ΔＸＭが干渉計分解能Ｒと等しくなる場合の距離ｘが、絶対位置測定分解能である。絶対位置測定分解能をｘＲとすると、式（２６）にｘ＝ ｘＲ、ΔＸＭ＝−Ｒを代入して、
ｘＲ ＝−Ｒ ／−０．０００２５７ （２７）
【００４７】
ダブルパス干渉計の分解能Ｒを０．１５ｎｍとすると、式（２７）より絶対位置測定分解能はｘＲ＝０．５８３μｍとなる。
【００４８】
本実施形態において、チャンバー内の気体の圧力は、気圧計２５を用いて測定され、気体を置換する前後で等しくなるよう制御されることが望ましい。これは気体の屈折率を一定に管理するとともに、気体の圧力変化による構造体の変形を抑制し、絶対位置の測定精度を高めるためである。
【００４９】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態を示すもので、（ａ）に示すように、移動体であるスライダ４０に設けられた干渉計収容空間４１内に干渉計４９の一対のミラー３９が収容される。スライダ４０は静圧空気案内４７によってガイド４５に対し微小な隙間を有する状態で浮上する。図６（ｂ）に示すように、干渉計収容空間４１の外周部には、静圧空気案内と同一の微小隙間を有する非接触シール４６が設けられる。真空ポンプ１を用いて干渉計収容空間４１の真空排気を行うと、非接触シール４６において、微小隙間の大きな流体抵抗による圧力降下が生じ、干渉計収容空間４１の内部を減圧することが可能である。また、干渉計収容空間４１の圧力は、真空ポンプ３１の排気速度の増減、不図示の排気流量調整バルブの調整、不図示のゲートバルブの解放などを行うことにより、大気圧以下の領域において減圧だけでなく増圧も可能である。本実施形態では、必要最小限の容積を有する減圧空間内にレーザ光路を収容することにより、レーザ光路の減圧ないし増圧に要する時間を短縮することができる。
【００５０】
本実施形態における干渉計４９は、対向する一対のミラー３９をスライダ４０に設置し、一方を測定ミラー、他方を参照ミラーとして、それぞれのミラー変位の差分を計測する差動干渉計を構成する。また、干渉計４９は、窓４８を有する真空カバー３２、偏光ビームスプリッタ３４、１／４波長板３５、直角プリズム３６、干渉計ベース３７等を有する。差動干渉計は、通常の干渉計では固定体に設置される参照ミラーを移動体に設置することで、移動体が移動した際の測定光路長の変化を増幅し、測長分解能を向上する効果を有する。
【００５１】
本実施形態における絶対位置測定方法及び位置決め方法は、レーザ光路の圧力を変化させるための装置構成が異なる点以外は、第１の実施形態もしくは第２の実施形態で述べた方法と同一の方法となるため、詳細は省略する。本発明の絶対位置測定方法に差動干渉計を用いるためには、図６（ａ）に示すように、干渉計４９と各ミラー３９の間の測定光路の屈折率を可変とすることが必要条件となる。
【００５２】
本実施形態は、レーザ光路の減圧ないし増圧に要する時間を短縮することにより、絶対位置の測定時間を短縮する効果を有する。
【符号の説明】
【００５３】
１、３１ 真空ポンプ
２ チャンバー
３ レーザ光源
４、３４ 偏光ビームスプリッタ
５、６、３５ １／４波長板
７ コーナーキューブ
８ 参照ミラー
９ 測定ミラー
１０、４０ スライダ
１５、４５ ガイド
１６ 真空計
１９、４９ 干渉計
２２、２３ タンク
３９ ミラー
４１ 干渉計収容空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドに沿って移動する移動体の移動量を測定する光干渉測長装置において、
光を測定光と参照光に分離する手段と、
前記測定光を、前記移動体に設置された測定ミラーによって反射させる測定光路と、
前記参照光を、参照ミラーによって反射させる参照光路と、
前記測定光と前記参照光の干渉光から、前記移動体の移動量を測定する干渉計と、
前記測定光路の屈折率を変化させる手段と、を有し、
前記測定光路の屈折率の変化による前記干渉計の測長値の変化から、前記移動体の絶対位置を測定することを特徴とする光干渉測長装置。
【請求項２】
前記測定光路の屈折率を変化させる手段は、前記測定光路の気圧を減圧又は増圧する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項３】
前記絶対位置の測定時に前記移動体を前記ガイドに固定することを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項４】
気圧の減圧又は増圧に起因する前記移動体及び前記ガイドの弾性変形量を求めて、前記弾性変形量に基づき前記絶対位置の測定値を補正することを特徴とする請求項２又は３に記載の光干渉測長装置。
【請求項５】
前記測定光路の屈折率を変化させる手段は、初期状態で前記測定光路に充填されている気体を異なる成分の気体に置換する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項６】
前記移動体に前記測定ミラーと前記参照ミラーとを対向させて設置し、差動干渉計を構成することを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに１項に記載の光干渉測長装置と、
前記光干渉測長装置によって測定された前記移動体の移動量に基づいて、前記移動体の位置決めを行うステージと、を有することを特徴とする位置決め装置。
【請求項１】
ガイドに沿って移動する移動体の移動量を測定する光干渉測長装置において、
光を測定光と参照光に分離する手段と、
前記測定光を、前記移動体に設置された測定ミラーによって反射させる測定光路と、
前記参照光を、参照ミラーによって反射させる参照光路と、
前記測定光と前記参照光の干渉光から、前記移動体の移動量を測定する干渉計と、
前記測定光路の屈折率を変化させる手段と、を有し、
前記測定光路の屈折率の変化による前記干渉計の測長値の変化から、前記移動体の絶対位置を測定することを特徴とする光干渉測長装置。
【請求項２】
前記測定光路の屈折率を変化させる手段は、前記測定光路の気圧を減圧又は増圧する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項３】
前記絶対位置の測定時に前記移動体を前記ガイドに固定することを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項４】
気圧の減圧又は増圧に起因する前記移動体及び前記ガイドの弾性変形量を求めて、前記弾性変形量に基づき前記絶対位置の測定値を補正することを特徴とする請求項２又は３に記載の光干渉測長装置。
【請求項５】
前記測定光路の屈折率を変化させる手段は、初期状態で前記測定光路に充填されている気体を異なる成分の気体に置換する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項６】
前記移動体に前記測定ミラーと前記参照ミラーとを対向させて設置し、差動干渉計を構成することを特徴とする請求項１に記載の光干渉測長装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに１項に記載の光干渉測長装置と、
前記光干渉測長装置によって測定された前記移動体の移動量に基づいて、前記移動体の位置決めを行うステージと、を有することを特徴とする位置決め装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１３５３６（Ｐ２０１２−１３５３６Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５０２４０（Ｐ２０１０−１５０２４０）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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