JP2007178281A - Tilt sensor and encoder - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a relative angular relation between illuminating light and an optical unit. <P>SOLUTION: Since both states of interfering light at a first diffraction grating 127a and a second diffraction grating 127b of the optical unit 26 are varied in response to a relative variation in the angle between the illuminating light emitted by a light source and the optical unit 26 having the first diffraction grating 127a and the second diffraction grating 127b, the relative angular relation between the illuminating light and the optical unit can be measured by receiving the interfering light by using a light receiving element. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明はチルトセンサ及びエンコーダに係り、更に詳しくは、照明光と回折格子との相対的なチルト量を計測するチルトセンサ及び該チルトセンサを備えるエンコーダに関する。   The present invention relates to a tilt sensor and an encoder, and more particularly, to a tilt sensor for measuring a relative tilt amount between illumination light and a diffraction grating, and an encoder including the tilt sensor.

従来より、被検物体の位置を計測するために、例えば、特許文献1に記載されているような光学式エンコーダが用いられていた。   Conventionally, for example, an optical encoder as described in Patent Document 1 has been used to measure the position of a test object.

この光学式エンコーダは、移動体とともに移動する移動回折格子と、固定のインデックス回折格子との両方を経由した照明光の強度を、両者の回折格子の相対位置ずれを示す情報として検出するエンコーダであり、いわゆる回折干渉方式のエンコーダと呼ばれている。   This optical encoder is an encoder that detects the intensity of illumination light that has passed through both a moving diffraction grating that moves with a moving body and a fixed index diffraction grating as information that indicates the relative positional deviation between the two diffraction gratings. This is called a so-called diffraction interference type encoder.

このような光学式エンコーダは、格子の配列方向についての位置計測のみが可能である。しかるに、最近では、被検物体の回転(被検物体とともに移動する移動格子の格子が形成された面に対する傾斜方向)についても計測することが必要と考えられている。   Such an optical encoder can only measure the position in the grid arrangement direction. However, recently, it is considered necessary to measure also the rotation of the test object (the inclination direction of the moving grid that moves with the test object with respect to the surface on which the grid is formed).

また、例えば特許文献2に記載されている、変調方式エンコーダの3ビーム生成用の回折格子に入射する光の入射角についても計測できれば、変調方式エンコーダによる正確な位置計測を実現することが可能となる。   Further, for example, if the incident angle of light incident on the diffraction grating for generating three beams of the modulation encoder described in Patent Document 2 can also be measured, accurate position measurement by the modulation encoder can be realized. Become.

特開2005−55360号公報JP 2005-55360 A 米国特許6,639,686号明細書US Patent 6,639,686

本発明は、上述した事情の下になされたものであり、第1の観点からすると、照明光を出射する光源と;第1の回折格子と、前記第1の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第2の回折格子とを有する光学ユニットと;前記光学ユニットで干渉した光を受光し、前記照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と;を備える第1のチルトセンサである。   The present invention has been made under the circumstances described above, and from a first viewpoint, the light source that emits illumination light; the first diffraction grating; and the illumination light with respect to the first diffraction grating An optical unit having a second diffraction grating arranged in a predetermined positional relationship with respect to the optical path direction of the optical system; receiving light interfered with the optical unit, and relating to a relative angle change between the illumination light and the optical unit And a light receiving element that outputs a signal.

これによれば、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に応じて、光学ユニットの第1の回折格子と第2の回折格子で干渉する光の状態が変化し、その干渉光を受光した受光素子から、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号が出力される。したがって、該信号に基づいて、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を検出することが可能となる。   According to this, the state of the light that interferes with the first diffraction grating and the second diffraction grating of the optical unit changes according to the relative angle change between the illumination light and the optical unit, and the interference light is received. A signal relating to a relative change in angle between the illumination light and the optical unit is output from the received light receiving element. Therefore, the relative angular relationship between the illumination light and the optical unit can be detected based on the signal.

本発明は、第2の観点からすると、照明光を出射する光源と;前記光源側の面に回折格子が設けられ、これと反対側の面に反射膜が形成された任意の屈折率を有する光学素子と;前記回折格子を通過した後、前記反射膜で反射され、前記回折格子を再度通過した光を受光し、前記照明光と前記光学素子との相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と;を備える第2のチルトセンサである。   From a second viewpoint, the present invention has a light source that emits illumination light; an arbitrary refractive index in which a diffraction grating is provided on the surface on the light source side, and a reflective film is formed on the surface on the opposite side. An optical element; after receiving the light reflected by the reflective film after passing through the diffraction grating and again passing through the diffraction grating, and outputting a signal relating to a relative angle change between the illumination light and the optical element; A second tilt sensor comprising: a light receiving element;

これによれば、光学素子に入射する照明光と光学素子との相対的な角度変化に応じて、回折格子を通過した後、反射膜で反射され、再度回折格子を通過した光の状態が変化し、その光を受光した受光素子から、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号が出力される。したがって、該信号に基づいて、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を検出することが可能となる。   According to this, in accordance with the relative change in angle between the illumination light incident on the optical element and the optical element, the state of the light that has passed through the diffraction grating, reflected by the reflective film, and again passed through the diffraction grating changes. And the signal regarding the relative angle change of illumination light and an optical unit is output from the light receiving element which received the light. Therefore, the relative angular relationship between the illumination light and the optical unit can be detected based on the signal.

本発明は、第3の観点からすると、所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、第1の回折格子と、前記第1の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第2の回折格子とを有する光学ユニットと;前記光学ユニットを経由した照明光を受光し、前記光学ユニットに入射する照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と;を備える第1のエンコーダである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided an encoder for irradiating a pattern arranged along a predetermined direction with illumination light and detecting the pattern, the first diffraction grating and the first diffraction grating. On the other hand, an optical unit having a second diffraction grating arranged in a predetermined positional relationship with respect to the optical path direction of the illumination light; illumination light that receives illumination light that has passed through the optical unit and is incident on the optical unit And a light receiving element that outputs a signal relating to a relative angle change between the optical unit and the optical unit.

これによれば、光学ユニットに入射する照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に応じて、第1、第2の回折格子で回折した光を受光する受光素子から出力される信号が変化するので、該信号に応じて光学ユニットと照明光との関係を調整することができる。したがって、調整後に、照明光を干渉させる光学ユニットを用いた位置計測を行うことにより、高精度な位置計測を行うことが可能となる。   According to this, the signal output from the light receiving element that receives the light diffracted by the first and second diffraction gratings changes in accordance with the relative angle change between the illumination light incident on the optical unit and the optical unit. Therefore, the relationship between the optical unit and the illumination light can be adjusted according to the signal. Therefore, it is possible to perform highly accurate position measurement by performing position measurement using an optical unit that causes illumination light to interfere after adjustment.

本発明は、第4の観点からすると、所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダにおいて、本発明の第1、第2のチルトセンサを備えることを特徴とする第2のエンコーダである。   According to a fourth aspect of the present invention, an encoder that irradiates illumination light onto a pattern arranged along a predetermined direction and detects the pattern includes the first and second tilt sensors of the present invention. It is the 2nd encoder characterized.

これによれば、照明光の光軸に垂直な面内方向に関する位置を計測するエンコーダが、回折格子を有する光学ユニット又は光学素子と照明光との相対的な角度変化を検出することが可能な本発明の第1、第2のチルトセンサを備えているので、該検出された角度変化に応じて、光学ユニット又は光学素子を調整することができる。したがって、調整後に位置計測を行うことにより、高精度な位置計測を行うことが可能となる。   According to this, the encoder that measures the position in the in-plane direction perpendicular to the optical axis of the illumination light can detect the relative angle change between the optical unit or optical element having the diffraction grating and the illumination light. Since the first and second tilt sensors of the present invention are provided, the optical unit or the optical element can be adjusted according to the detected angle change. Therefore, highly accurate position measurement can be performed by performing position measurement after adjustment.

《第1の実施形態》
以下、本発明の第1の実施形態を図1〜図2(B)に基づいて説明する。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1には、本第1の実施形態に係るチルトセンサ100が概略的に示されている。このチルトセンサ100は、Z軸方向(図1の紙面上下方向)に順次配列された、光源120と、コリメータレンズ121と、光学ユニット26と、受光素子136とを備えている。   FIG. 1 schematically shows a tilt sensor 100 according to the first embodiment. The tilt sensor 100 includes a light source 120, a collimator lens 121, an optical unit 26, and a light receiving element 136, which are sequentially arranged in the Z-axis direction (the vertical direction in FIG. 1).

前記光源120としては、例えば短波長帯VCSEL(面発光レーザ)を採用することができる。この面発光レーザは、均一性が高く、高速駆動や大規模アレイ化が可能な近赤外面発光型半導体レーザである。   As the light source 120, for example, a short wavelength band VCSEL (surface emitting laser) can be employed. This surface-emitting laser is a near-infrared surface-emitting semiconductor laser that has high uniformity and can be driven at high speed and can be made into a large-scale array.

前記コリメータレンズ121は、前記光源120から出射されたレーザ光を平行光に変換する。   The collimator lens 121 converts the laser light emitted from the light source 120 into parallel light.

前記光学ユニット26は、レーザ光を透過するガラス板から成り、チルト量を計測する被検物体(移動体)に接続されている。このガラス板の光源120側の面には、図2(A)に拡大して示されるように、光源側格子127aが設けられ、その裏面(受光素子側の面)には、受光素子側格子127bが設けられている。これらの格子127a,127bは、X軸方向を長手方向とする複数のラインパターンがY軸方向に配列されて成るライン・アンド・スペースパターンであり、光源側格子127aのピッチは、例えば25.0μmであり、受光素子側格子127bのピッチは、例えば25.6μmである。   The optical unit 26 is made of a glass plate that transmits laser light, and is connected to an object to be measured (moving body) that measures a tilt amount. As shown in an enlarged view in FIG. 2A, a light source side grating 127a is provided on the surface of the glass plate on the light source 120 side, and a light receiving element side grating is provided on the back surface (surface on the light receiving element side). 127b is provided. These gratings 127a and 127b are line-and-space patterns in which a plurality of line patterns whose longitudinal direction is the X-axis direction are arranged in the Y-axis direction, and the pitch of the light source side grating 127a is, for example, 25.0 μm. The pitch of the light receiving element side grating 127b is, for example, 25.6 μm.

図1に戻り、前記受光素子136は、多分割受光素子から構成されている。   Returning to FIG. 1, the light receiving element 136 is composed of a multi-part light receiving element.

このように構成されるチルトセンサ100によると、光源120から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ121で平行光に変換されて、光学ユニット26に入射する。この光学ユニット26に入射したレーザ光は、以下のように干渉する。   According to the tilt sensor 100 configured as described above, the laser light emitted from the light source 120 is converted into parallel light by the collimator lens 121 and enters the optical unit 26. The laser light incident on the optical unit 26 interferes as follows.

図2(A)には、レーザ光が光学ユニット26の上面に対して垂直に入射している状態が示されている。この場合、光学ユニット26では入射した平行光に基づいて複数の回折光を光源側格子127aで発生させる。図2(A)では、それらの回折光のうち、光源側格子127aの3点(A点,B点,C点)で発生した±1次回折光が示されている。   FIG. 2A shows a state in which laser light is incident on the upper surface of the optical unit 26 perpendicularly. In this case, the optical unit 26 generates a plurality of diffracted lights at the light source side grating 127a based on the incident parallel light. FIG. 2A shows ± first-order diffracted light generated at three points (point A, point B, point C) of the light source side grating 127a among the diffracted lights.

このうち、A点で発生した+1次回折光に着目すると、この+1次回折光は、受光素子側格子127bのAB点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図2(A)では、±1次回折光のみを示している(括弧を付さずに示している)が、そのうちで干渉に寄与するのは、図2(A)に実線で記載されている−1次回折光である。一方、A点で発生した−1次回折光については、受光素子側格子127bのAC点で更に複数の回折光を発生させる。ここで、図2(A)では、±1次回折光のみを示している(括弧を付さずに示している)が、そのうちで干渉に寄与するのは、図2(A)に実線で示されている+1次回折光である。   Of these, when focusing on the + 1st order diffracted light generated at the point A, the + 1st order diffracted light further generates a plurality of diffracted lights at the point AB of the light receiving element side grating 127b. Here, in FIG. 2 (A), only ± first-order diffracted light is shown (not shown in parentheses), and among them, the contribution to interference is indicated by a solid line in FIG. 2 (A). -1st order diffracted light. On the other hand, for the −1st order diffracted light generated at the point A, a plurality of diffracted lights are further generated at the AC point of the light receiving element side grating 127b. Here, in FIG. 2 (A), only ± first-order diffracted light is shown (not shown in parentheses), and among them, the contribution to interference is shown by a solid line in FIG. 2 (A). + 1st order diffracted light.

次いで、B点で発生した−1次回折光に着目すると、この−1次回折光は受光素子側格子127bのAB点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図2(A)では、±1次回折光のみを示している(括弧を付して示している)が、そのうちで干渉に寄与するのは、図2(A)に実線で記載されている+1次回折光である。この+1次回折光は、前述した、A点で発生した+1次回折光のうち受光素子側格子127bのAB点において発生した−1次回折光と干渉する。   Next, when attention is paid to the −1st order diffracted light generated at the point B, the −1st order diffracted light further generates a plurality of diffracted lights at the point AB of the light receiving element side grating 127b. Here, in FIG. 2 (A), only ± first-order diffracted light is shown (indicated by parentheses), among which the contribution to interference is indicated by a solid line in FIG. 2 (A). + 1st order diffracted light. The + 1st order diffracted light interferes with the −1st order diffracted light generated at the AB point of the light receiving element side grating 127b among the + 1st order diffracted light generated at the point A described above.

次に、C点で発生した+1次回折光に着目すると、この+1次回折光は、受光素子側格子127bのAC点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図2(A)では、±1次回折光のみを示している(括弧を付して示している)が、そのうちで干渉に寄与するのは、図2(A)に実線で記載されている−1次回折光である。この−1次回折光は、前述した、A点で発生した−1次回折光のうち受光素子側格子127bのAC点において発生した+1次回折光と干渉する。   Next, focusing on the + 1st order diffracted light generated at the point C, this + 1st order diffracted light further generates a plurality of diffracted lights at the AC point of the light receiving element side grating 127b. Here, in FIG. 2 (A), only ± first-order diffracted light is shown (indicated by parentheses), among which the contribution to interference is indicated by a solid line in FIG. 2 (A). -1st order diffracted light. The -1st order diffracted light interferes with the + 1st order diffracted light generated at the AC point of the light receiving element side grating 127b among the -1st order diffracted light generated at the point A described above.

このようにして、光学ユニット26を経由したレーザ光の干渉により、受光素子136上に干渉縞が形成されるようになっている。   In this way, interference fringes are formed on the light receiving element 136 due to the interference of the laser light passing through the optical unit 26.

図2(B)には、レーザ光が光学ユニット26の上面に対して垂直からやや傾斜した角度で入射する状態が示されている。なお、この図2(B)では、図2(A)と比較して光学ユニット26の角度が同一でレーザ光が傾いた状態が示されているが、これとは逆にレーザ光の光路が同一で光学ユニット26が傾いた場合についても同様の考え方ができる。   FIG. 2B shows a state in which the laser light is incident on the upper surface of the optical unit 26 at an angle slightly inclined from the vertical. FIG. 2B shows a state in which the angle of the optical unit 26 is the same and the laser beam is tilted as compared with FIG. 2A. On the contrary, the optical path of the laser beam is different. The same concept can be applied to the case where the optical unit 26 is tilted in the same manner.

この場合、光学ユニット26では入射した平行光に基づいて複数の回折光を光源側格子127aで発生させるが、図2(B)では、それらの回折光のうち、光源側格子127aの3点(A点,B’点,C’点)で発生した±1次回折光のみが示されている。   In this case, in the optical unit 26, a plurality of diffracted lights are generated by the light source side grating 127a based on the incident parallel light. In FIG. 2B, among the diffracted lights, three points of the light source side grating 127a ( Only ± first-order diffracted light generated at points A, B ′, and C ′) is shown.

この図2(B)に示されるように、A点において発生した+1次回折光は、受光素子側格子127bのAB’点において、再度回折し、±1次回折光(図2(B)において括弧を付さずに示している)を発生する。この場合、実線で示される−1次回折光が干渉に寄与する。一方、A点において発生した−1次回折光は、受光素子側格子127bのAC’点において、再度回折し、±1次回折光(図2(B)において括弧を付さずに示している)を発生する。この場合、実線で示される+1次回折光が干渉に寄与する。   As shown in FIG. 2B, the + 1st order diffracted light generated at the point A is diffracted again at the point AB ′ of the light receiving element side grating 127b, and the ± 1st order diffracted light (the parentheses in FIG. (Not shown). In this case, −1st order diffracted light indicated by a solid line contributes to interference. On the other hand, the −1st order diffracted light generated at the point A is diffracted again at the AC ′ point of the light receiving element side grating 127b, and ± 1st order diffracted light (shown without parentheses in FIG. 2B). appear. In this case, + 1st order diffracted light indicated by a solid line contributes to interference.

なお、図2(B)からもわかるように、A点において発生した+1次回折光と−1次回折光の、ガラス部材内での光路長は異なっている。   As can be seen from FIG. 2B, the optical path lengths in the glass member of the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light generated at point A are different.

同様に、光源側格子127aのB’点における回折により発生した±1次回折光のうちの−1次回折光は、受光素子側格子127aのAB’点において再度回折され、±1次回折光(括弧を付して示している)を発生させる。このうちの実線で示される+1次回折光が上述したA点、AB’点を経由して発生する−1次回折光と干渉する。   Similarly, the −1st order diffracted light of the ± 1st order diffracted light generated by the diffraction at the B ′ point of the light source side grating 127a is diffracted again at the AB ′ point of the light receiving element side grating 127a, and the ± 1st order diffracted light (in parentheses) To be generated). Of these, the + 1st order diffracted light indicated by the solid line interferes with the −1st order diffracted light generated via the points A and AB ′ described above.

一方、光源側格子127aのC’点における回折により発生した±1次回折光のうちの+1次回折光は、受光素子側格子127aのAC’点において再度回折され、±1次回折光(括弧を付して示している)を発生させる。このうちの実線で示される−1次回折光が上述したA点、AC’点を経由して発生する+1次回折光と干渉する。   On the other hand, the + 1st order diffracted light of the ± 1st order diffracted light generated by the diffraction at the point C ′ of the light source side grating 127a is diffracted again at the AC ′ point of the light receiving element side grating 127a, and the ± 1st order diffracted light (with parentheses attached). Generated). Of these, the −1st order diffracted light indicated by the solid line interferes with the + 1st order diffracted light generated via the above-described points A and AC ′.

この場合、図2(A)と図2(B)とを比較するとわかるように、レーザ光の光軸と光学ユニット26との相対角度が変動することにより、対応する干渉光がY軸方向(本実施形態では−Y方向)にずれている、すなわち、干渉縞の干渉強度が変化する。受光素子136では、発生した干渉縞の干渉強度を検出し、受光面上における干渉縞の移動量を含む信号を不図示の制御装置に出力する。なお、本実施形態のチルトセンサ100では、計測の原点が存在しないが、初期調整において、光学ユニット26が所望の状態(例えば図2(A)に示されるようにレーザ光が光学ユニットに対して垂直に入射する状態)に設定されたときの干渉縞の位置を原点とみなして、該原点からのずれを検出することとする。   In this case, as can be seen from a comparison between FIG. 2A and FIG. 2B, the relative angle between the optical axis of the laser beam and the optical unit 26 varies, so that the corresponding interference light is changed in the Y-axis direction ( In this embodiment, it is shifted in the -Y direction), that is, the interference intensity of the interference fringes changes. The light receiving element 136 detects the interference intensity of the generated interference fringes and outputs a signal including the amount of movement of the interference fringes on the light receiving surface to a control device (not shown). In the tilt sensor 100 of the present embodiment, the origin of measurement does not exist. However, in the initial adjustment, the optical unit 26 is in a desired state (for example, as shown in FIG. Assume that the position of the interference fringe when set to the state of being perpendicularly incident) is regarded as the origin, and a deviation from the origin is detected.

ここで、本実施形態のように、ガラス板の表裏面に格子が配置されるスケールを採用する場合、光源側格子127aをインデックススケール、受光素子側格子127bを移動スケールとみなして考えることができる。すなわち、移動スケールが傾いて、光ビーム出射位置が1ピッチ(25.6μm)変化したとすると、ガラス内部の伝播角をθ’、ガラスの厚みをt、格子ピッチをpとして、次式(1)のような関係になる。   Here, as in the present embodiment, when a scale in which a grating is arranged on the front and back surfaces of a glass plate is employed, it can be considered that the light source side grating 127a is regarded as an index scale and the light receiving element side grating 127b is regarded as a moving scale. . That is, if the moving scale is tilted and the light beam emission position is changed by one pitch (25.6 μm), the propagation angle inside the glass is θ ′, the glass thickness is t, and the lattice pitch is p. ).

tanθ’=p/t …(1)
上式(1)は、ガラス内部に関する式であるので、屈折率を1.5、実際の光学ユニット26の傾斜をθとすると、次式(2)のようになる。
tan θ ′ = p / t (1)
Since the above equation (1) is an equation relating to the inside of the glass, when the refractive index is 1.5 and the actual inclination of the optical unit 26 is θ, the following equation (2) is obtained.

sinθ/sinθ’=1.5
sinθ=1.5sin[tan-1(p/t)] …(2)
ここで、格子ピッチを25.6μm、ガラス厚を3mmとすると、θ=44(分)となる。したがって、干渉縞の1周期が44分に相当することから、受光素子136の内挿数を512とすると分解能は、44×60/512=約5.16(秒)となる。また、受光素子136として多分割受光素子を採用しているので、90°位相の異なる点の値を検出することにより、2相信号が得られ、傾斜の方向も計測することが可能となる。
sin θ / sin θ ′ = 1.5
sin θ = 1.5 sin [tan −1 (p / t)] (2)
Here, if the lattice pitch is 25.6 μm and the glass thickness is 3 mm, θ = 44 (min). Accordingly, since one cycle of the interference fringes corresponds to 44 minutes, the resolution is 44 × 60/512 = about 5.16 (seconds) when the number of interpolation of the light receiving element 136 is 512. In addition, since a multi-segment light receiving element is employed as the light receiving element 136, a two-phase signal can be obtained by detecting values of points having a 90 ° phase difference, and the inclination direction can also be measured.

なお、本実施形態の方式を用いることにより、傾斜に伴う±1次回折光同士の光路長差変動が発生しないので、傾斜が生じてもタルボ(トールボット)干渉の初期条件が変わることがなく、安定したチルト計測を行うことが可能である。   In addition, since the optical path length difference variation between ± 1st order diffracted lights due to the tilt does not occur by using the method of the present embodiment, the initial condition of Talbot (Talbot) interference does not change even if the tilt occurs. It is possible to perform stable tilt measurement.

以上詳細に説明したように、本第1の実施形態のチルトセンサによると、光学ユニット26に、光源側格子127aと、該光源側格子127aに対し、Z軸方向に関して所定距離離れた位置に設けられた受光素子側格子127bとが設けられており、レーザ光と光学ユニット26との相対的な角度変化に応じて、光学ユニット26の光源側格子127aと受光素子側格子127bで回折し形成される干渉縞の強度が変化するので、該干渉縞を受光素子で検出することにより、レーザ光と光学ユニット26との相対的な角度関係を計測することが可能となる。   As described above in detail, according to the tilt sensor of the first embodiment, the optical unit 26 is provided with the light source side grating 127a and the light source side grating 127a at a position separated from the light source side grating 127a by a predetermined distance in the Z-axis direction. The light receiving element side grating 127b is diffracted by the light source side grating 127a and the light receiving element side grating 127b of the optical unit 26 according to the relative angle change between the laser beam and the optical unit 26. Therefore, the relative angular relationship between the laser beam and the optical unit 26 can be measured by detecting the interference fringe with a light receiving element.

また、本実施形態では、光源側格子と受光素子側格子のピッチを異ならせているので、干渉縞の間隔(ピッチ)が大きくなる。例えば、本実施形態のように、光源側格子のピッチを25.0μm、受光素子側格子のピッチを25.6μmとした場合には、約0.8mm程度のピッチの干渉縞が発生することになる。したがって、チルト計測に用いられる干渉縞のピッチが大きいことから、干渉縞の強度変化(受光素子の受光面における干渉縞の移動)を精度良く検出することができる。これにより、チルト計測精度を向上することが可能である。   Further, in this embodiment, since the pitches of the light source side grating and the light receiving element side grating are different, the interval (pitch) of interference fringes becomes large. For example, as in this embodiment, when the pitch of the light source side grating is 25.0 μm and the pitch of the light receiving element side grating is 25.6 μm, interference fringes with a pitch of about 0.8 mm are generated. Become. Therefore, since the pitch of the interference fringes used for tilt measurement is large, a change in the intensity of the interference fringes (movement of the interference fringes on the light receiving surface of the light receiving element) can be accurately detected. Thereby, it is possible to improve the tilt measurement accuracy.

《第2の実施形態》
次に、本発明の第2の実施形態に係るエンコーダについて図3及び図4に基づいて説明する。図3には、本第2の実施形態のエンコーダ17の概略的な構成が示されている。
<< Second Embodiment >>
Next, an encoder according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a schematic configuration of the encoder 17 of the second embodiment.

このエンコーダ17は、Y軸方向に延びるスケール18と、ビームプローブを射出するプローブ部19とを含む。スケール18には、Y軸方向に周期性を有する反射型の回折格子(グレーティング1)が形成されている。図3に示されるように、この回折格子は凹凸面型の回折格子である。また、そのピッチ(周期)は、全区間で同一となっている。   The encoder 17 includes a scale 18 extending in the Y-axis direction and a probe unit 19 that emits a beam probe. The scale 18 is formed with a reflective diffraction grating (grating 1) having periodicity in the Y-axis direction. As shown in FIG. 3, this diffraction grating is an uneven surface type diffraction grating. The pitch (cycle) is the same in all sections.

前記プローブ部19は、レーザダイオード20と、該レーザダイオード20の+Y側に配置された折り曲げミラー22と、該折り曲げミラー22の+Z側に順次配置された光学ユニット26、ビームスプリッタ28、及び対物レンズ30と、ビームスプリッタ28の+Y側に配置されたレンズ32及び光センサ34と、ビームスプリッタ28の−Y側に配置された受光素子36とを含んでいる。   The probe unit 19 includes a laser diode 20, a bending mirror 22 disposed on the + Y side of the laser diode 20, an optical unit 26, a beam splitter 28, and an objective lens sequentially disposed on the + Z side of the bending mirror 22. 30, a lens 32 and an optical sensor 34 disposed on the + Y side of the beam splitter 28, and a light receiving element 36 disposed on the −Y side of the beam splitter 28.

前記レーザダイオード20は、例えば、波長640nmのレーザ光を射出する。   The laser diode 20 emits laser light having a wavelength of 640 nm, for example.

前記折り曲げミラー22は、例えばピエゾ素子などを含む駆動装置24により振動される振動ミラーとしての機能を有するとともに、駆動装置24によって角度調整可能とされている。不図示の制御装置は、駆動装置24を介してレーザダイオード20から出射されるレーザ光に対するミラー22の反射面の角度を所望の角度に調整する。   The bending mirror 22 has a function as a vibrating mirror that is vibrated by a driving device 24 including, for example, a piezo element, and the angle of the bending mirror 22 can be adjusted by the driving device 24. A control device (not shown) adjusts the angle of the reflection surface of the mirror 22 with respect to the laser light emitted from the laser diode 20 via the driving device 24 to a desired angle.

前記光学ユニット26は、前述したチルトセンサ100における光学ユニットと同様であるが、ここでは、光源側格子は、入射したレーザ光に基づいて、0次回折光のメインビームと、±1次回折光の2つのサブビームを発生する。メインビームと、2つのサブビームとの配置関係は、これらのビームがスケール上に照射されたときに、格子の配列方向に沿って2つのサブビームの間にメインビームが配置される関係にある。   The optical unit 26 is the same as the optical unit in the tilt sensor 100 described above, but here, the light source side grating is based on the incident laser light and the main beam of 0th-order diffracted light and 2 of ± 1st-order diffracted light. Two sub-beams are generated. The arrangement relationship between the main beam and the two sub beams is a relationship in which the main beam is arranged between the two sub beams along the arrangement direction of the grating when these beams are irradiated on the scale.

前記光センサ34はCCD等から構成されており、前記受光素子36は、前述したチルトセンサ100の受光素子136と同様であり、不図示の制御装置に検出信号を出力する。   The optical sensor 34 is composed of a CCD or the like, and the light receiving element 36 is the same as the light receiving element 136 of the tilt sensor 100 described above, and outputs a detection signal to a control device (not shown).

このように構成されるエンコーダ17では、レーザダイオード20から射出されたレーザ光は、折り曲げミラー22でほぼ90°反射され、光学ユニット26に入射し、光学ユニット26で、メインビームと2つのサブビームとに分離された後、ビームスプリッタ28を通過して、対物レンズ30によってスケール18上のグレーティング1上に到達する。そして、グレーティング1上で反射したレーザ光は、対物レンズ30を通過して、ビームスプリッタ28で反射し、レンズ32を経由して、光センサ34で受光される。光センサ34からの信号は、不図示の制御装置へ送られる。なお、この制御装置における信号検出の原理及び回路構成は、特表2000−511634号公報及び米国特許第6,639,686号明細書等に詳細に開示されているので、詳細な説明を省略する。   In the encoder 17 configured as described above, the laser light emitted from the laser diode 20 is reflected by the bending mirror 22 by approximately 90 °, enters the optical unit 26, and the optical unit 26 generates a main beam, two sub beams, and the like. Then, after passing through the beam splitter 28, the objective lens 30 reaches the grating 1 on the scale 18. The laser light reflected on the grating 1 passes through the objective lens 30, is reflected by the beam splitter 28, and is received by the optical sensor 34 via the lens 32. A signal from the optical sensor 34 is sent to a control device (not shown). Since the principle and circuit configuration of signal detection in this control device are disclosed in detail in JP 2000-511634 A and US Pat. No. 6,639,686, etc., detailed description is omitted. .

なお、光センサ34では、0次回折光のメインビームと、±1次回折光の2つのサブビームとに分割された状態で受光される。したがって、このようなプローブ部を採用した場合、光センサ34としては、図4に示されるように、メインビーム検出用の4分割の光センサ343と、サブビーム検出用の2つのセンサ34、342とを用いることができる。 The optical sensor 34 receives light in a state of being divided into a main beam of zero-order diffracted light and two sub beams of ± first-order diffracted light. Therefore, when such a probe unit is employed, as the optical sensor 34, as shown in FIG. 4, a four-part optical sensor 34 3 for main beam detection and two sensors 34 1 for sub beam detection, 34 2 and can be used.

2つのサブビームの受光結果、すなわち光センサ341、342からの検出信号のいずれか一方からは、グレーティング1の峰と、ビームプローブの振動中心との相対距離を検出することが可能である。光センサ341、342からの信号から検出された振幅及び位相の検出値を加算した結果をエンコーダの計測値として検出し、減算した結果をレーザダイオードの位置ドリフトなどによるビームプローブのドリフト量として検出している。 The relative distance between the peak of the grating 1 and the vibration center of the beam probe can be detected from the result of receiving the two sub beams, that is, from one of the detection signals from the optical sensors 34 1 and 34 2 . The result obtained by adding the detected values of the amplitude and phase detected from the signals from the optical sensors 34 1 and 34 2 is detected as the measured value of the encoder, and the subtracted result is used as the drift amount of the beam probe due to the position drift of the laser diode. Detected.

なお、4分割の光センサ34の各センサの出力を例えばa,b,c,dとすると、メインビームの検出結果からは、2つの信号(a+b+c+d、a+c−bーd)を作成することができる。この2つの信号は、90度の位相差を有しているので、この2つの信号は、制御装置へ送られ、対物レンズ30とグレーティング1とのフォーカス制御に用いられる。 Note that four-divided photosensor 34 1 outputs, for example a of the sensor, b, c, when the d, from the detection result of the main beam, to create two signals (a + b + c + d , a + c-b over d) Can do. Since these two signals have a phase difference of 90 degrees, these two signals are sent to the control device and used for focus control between the objective lens 30 and the grating 1.

このように、プローブ部19は、スケール18に向けてレーザ光を出力し、スケール18のグレーティング1上で反射したレーザ光(ビームプローブ)を光センサ34で受光し、その受光結果に相当する信号を出力している。   In this manner, the probe unit 19 outputs laser light toward the scale 18, receives the laser light (beam probe) reflected on the grating 1 of the scale 18 by the optical sensor 34, and a signal corresponding to the light reception result. Is output.

ところで、図3からわかるように、光学ユニット26を通過し、ビームスプリッタ28で反射されたレーザ光は、受光素子36に入射する。したがって、図3のエンコーダ17のプローブ部19においては、レーザダイオード20は、図1のチルトセンサ100の光源120に対応し、受光素子36は図1の受光素子136に対応し、光学ユニット26はチルトセンサ100の光学ユニット26と同一であるので、これらと、折り曲げミラー22とにより、図1のチルトセンサ100と同一の機能を有するチルトセンサ100’が構成されていることになる。このチルトセンサ100’により、光学ユニット26と、光学ユニット26に入射するレーザ光との相対角度を検出することができる。したがって、制御装置では、このチルトセンサ100’による検出結果に基づいて駆動装置24を介して折り曲げミラー22の角度を調整することにより、光学ユニット26に入射するレーザ光の角度を調整する。これにより、レーザ光を光学ユニット26に理想的な角度で入射させることができるので、エンコーダ17による計測を精度良く行うことが可能となる。   As can be seen from FIG. 3, the laser light that has passed through the optical unit 26 and reflected by the beam splitter 28 enters the light receiving element 36. Therefore, in the probe unit 19 of the encoder 17 in FIG. 3, the laser diode 20 corresponds to the light source 120 of the tilt sensor 100 in FIG. 1, the light receiving element 36 corresponds to the light receiving element 136 in FIG. Since this is the same as the optical unit 26 of the tilt sensor 100, the tilt sensor 100 ′ having the same function as the tilt sensor 100 of FIG. The tilt sensor 100 ′ can detect the relative angle between the optical unit 26 and the laser light incident on the optical unit 26. Therefore, the control device adjusts the angle of the laser beam incident on the optical unit 26 by adjusting the angle of the bending mirror 22 via the driving device 24 based on the detection result of the tilt sensor 100 ′. As a result, the laser light can be incident on the optical unit 26 at an ideal angle, so that the measurement by the encoder 17 can be performed with high accuracy.

なお、光学ユニット26からはメインビームと2つのサブビームが発生しているので、これらのビームから相対角度を求めても良いし、3つのビームのうち、いずれか1つを用いて相対角度を求めても良い。   Since the optical unit 26 generates a main beam and two sub beams, the relative angle may be obtained from these beams, or the relative angle is obtained using any one of the three beams. May be.

以上説明したように、本実施形態のエンコーダによると、レーザ光と光学ユニット26との相対的な角度関係を計測することが可能なチルトセンサ100’を含んでいることから、このチルトセンサ100’による検出結果に基づいて、レーザ光と光学ユニット26との角度関係を調整することができる。これにより、エンコーダによる位置計測を長期に渡って精度良く行うことが可能となる。   As described above, according to the encoder of the present embodiment, the tilt sensor 100 ′ includes the tilt sensor 100 ′ that can measure the relative angular relationship between the laser beam and the optical unit 26. The angular relationship between the laser beam and the optical unit 26 can be adjusted based on the detection result obtained by. As a result, position measurement by the encoder can be accurately performed over a long period of time.

また、本実施形態によると、エンコーダ17のプローブ部19に設けた光学ユニット26自身に、光学ユニット26の傾斜を計測するための機能を備えているので、部品点数を少なくすることができるので、エンコーダ自体の大型化を抑制することができる。   Moreover, according to this embodiment, since the optical unit 26 provided in the probe unit 19 of the encoder 17 has a function for measuring the inclination of the optical unit 26, the number of parts can be reduced. Enlargement of the encoder itself can be suppressed.

なお、上記第2の実施形態では、スケール18として反射型の回折格子を用いることとしたが、これに限らず、透過型の回折格子を用いることとしても良い。この場合、レンズ32及び光センサ34は、スケール18の+Z側に配置されることとなる。   In the second embodiment, a reflection type diffraction grating is used as the scale 18. However, the invention is not limited to this, and a transmission type diffraction grating may be used. In this case, the lens 32 and the optical sensor 34 are arranged on the + Z side of the scale 18.

なお、上記第2の実施形態のエンコーダは、回折干渉方式、影絵方式のエンコーダにも採用することが可能である。   Note that the encoder of the second embodiment can also be employed in a diffraction interference type or shadow type encoder.

更に、上記第2の実施形態の光学ユニット26を、エンコーダのスケール18として用いることも可能である。   Furthermore, the optical unit 26 of the second embodiment can be used as the scale 18 of the encoder.

なお、上記各実施形態では、光学ユニット26として、ガラス板を用いることとしたが、これに限らず、任意の屈折率を有する部材であれば、その素材がガラスに限られるものではない。例えば、半導体などに回折格子を形成することとしても良い。   In each of the above embodiments, a glass plate is used as the optical unit 26. However, the material is not limited to glass as long as it is a member having an arbitrary refractive index. For example, a diffraction grating may be formed in a semiconductor or the like.

また、上記各実施形態では、光学ユニット26に設けられた光源側格子127aと受光素子側格子127bの格子ピッチが僅かに異なる(25.0μmと25.6μm)場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではなく、両格子が同一ピッチであっても良い。   In each of the above embodiments, the case where the grating pitches of the light source side grating 127a and the light receiving element side grating 127b provided in the optical unit 26 are slightly different (25.0 μm and 25.6 μm) has been described. However, the present invention is not limited to this, and both gratings may have the same pitch.

なお、上記各実施形態では、ガラス板の表裏面それぞれに光源側格子127aと受光素子側格子127bとを設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図5(A)に示される構成の光学ユニット26’を採用することも可能である。この場合、光学ユニット26を、例えば、被測定物に固定することとすることができる。   In each of the above embodiments, the case where the light source side grating 127a and the light receiving element side grating 127b are provided on the front and back surfaces of the glass plate has been described, but the present invention is not limited to this. For example, it is possible to employ an optical unit 26 ′ having the configuration shown in FIG. In this case, the optical unit 26 can be fixed to the object to be measured, for example.

この光学ユニット26’は、図5(A)に示されるように、ガラス板から成り、該ガラス板の+Z側の面に回折格子127’が設けられ、−Z側の面に反射膜129が設けられている。   As shown in FIG. 5A, the optical unit 26 ′ is made of a glass plate, a diffraction grating 127 ′ is provided on the + Z side surface of the glass plate, and a reflective film 129 is provided on the −Z side surface. Is provided.

このように構成される光学ユニット26’によると、斜めに入射したレーザ光は、回折格子127’において、回折し、±1次回折光を発生する。これら±1次回折光、及び0次光はそれぞれ反射膜129で全反射し、回折格子127’で再度回折を受ける。ここで、干渉に寄与するのは、図5(A)において実線で示される光である。   According to the optical unit 26 ′ configured as described above, the obliquely incident laser light is diffracted by the diffraction grating 127 ′ to generate ± first-order diffracted light. These ± 1st order diffracted light and 0th order light are totally reflected by the reflection film 129 and diffracted again by the diffraction grating 127 ′. Here, it is the light indicated by the solid line in FIG. 5A that contributes to the interference.

ここで、反射面を基準として展開した状態を示す図5(B)と、図2(A),図2(B)とを比較すると原理は同様であるので、この変形例を採用した場合であっても、上記実施形態と同様の干渉が生じることが明らかである。   Here, the principle is the same when comparing FIG. 5 (B) showing the state developed with the reflecting surface as a reference, and FIGS. 2 (A) and 2 (B). Even if it exists, it is clear that the same interference as the said embodiment arises.

したがって、図2(A)、図2(B)の場合と同様に、その他の点で回折するレーザ光の回折光(回折格子127’で回折し、その後反射膜129で反射し、再度回折格子127’で回折した光)と干渉するので、光路後方に設けられた受光素子(不図示)上に、干渉縞が形成される。   Therefore, as in the case of FIGS. 2A and 2B, the diffracted light of the laser beam diffracted at other points (diffracted by the diffraction grating 127 ′, then reflected by the reflection film 129, and again the diffraction grating Interference light), interference fringes are formed on a light receiving element (not shown) provided behind the optical path.

この場合も上述した実施形態と同様に、レーザ光の光学ユニットへの入射角度が異なると、干渉縞の受光素子上での位置が変化するので、干渉縞の位置を検出することにより、レーザ光の光学ユニットに対する入射角度を検出することが可能である。   Also in this case, as in the above-described embodiment, if the incident angle of the laser beam to the optical unit is different, the position of the interference fringe on the light receiving element changes. Therefore, the laser beam can be detected by detecting the position of the interference fringe. It is possible to detect the incident angle with respect to the optical unit.

以上説明したように、本発明のチルトセンサは、照明光と光学ユニットとの相対角度を計測するのに適している。また、本発明のエンコーダは、パターンの検出に適している。   As described above, the tilt sensor of the present invention is suitable for measuring the relative angle between the illumination light and the optical unit. The encoder of the present invention is suitable for pattern detection.

第1の実施形態に係るチルトセンサを示す概略図である。It is the schematic which shows the tilt sensor which concerns on 1st Embodiment. 図2(A)、図2(B)は、図1の光学ユニットの原理を説明するための図である。2A and 2B are views for explaining the principle of the optical unit in FIG. 第2の実施形態に係るエンコーダを示す概略図である。It is the schematic which shows the encoder which concerns on 2nd Embodiment. 図3の受光素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the light receiving element of FIG. 図5(A)、図5(B)は、チルトセンサの変形例を示す図である。FIG. 5A and FIG. 5B are diagrams showing modifications of the tilt sensor.

符号の説明Explanation of symbols

20,120…レーザダイオード(光源)、26…光学ユニット、26’…光学素子(光学ユニット)、34,134…受光素子、100,100’…チルトセンサ、127a…光源側格子(第1の回折格子),127b…受光素子側格子(第2の回折格子)、129…反射膜、17…エンコーダ、IL…照明光。   20, 120 ... laser diode (light source), 26 ... optical unit, 26 '... optical element (optical unit), 34, 134 ... light receiving element, 100, 100' ... tilt sensor, 127a ... light source side grating (first diffraction) Grating), 127b... Light receiving element side grating (second diffraction grating), 129... Reflective film, 17... Encoder, IL.

Claims (12)

照明光を出射する光源と;
第1の回折格子と、前記第1の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第2の回折格子とを有する光学ユニットと;
前記光学ユニットで干渉した光を受光し、前記照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と;を備えるチルトセンサ。
A light source that emits illumination light;
An optical unit having a first diffraction grating and a second diffraction grating arranged in a predetermined positional relationship with respect to the optical path direction of the illumination light with respect to the first diffraction grating;
A tilt sensor comprising: a light receiving element that receives light that interferes with the optical unit and outputs a signal related to a relative angle change between the illumination light and the optical unit.
前記光学ユニットは、任意の屈折率を有する部材を有し、該部材に前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のチルトセンサ。   The tilt sensor according to claim 1, wherein the optical unit includes a member having an arbitrary refractive index, and the first diffraction grating and the second diffraction grating are formed on the member. . 前記部材は前記照明光を透過可能な板状部材であり、
前記第1の回折格子は、前記板状部材の前記光源側の面に形成され、
前記第2の回折格子は、前記板状部材の前記光源側と反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項2に記載のチルトセンサ。
The member is a plate-like member capable of transmitting the illumination light,
The first diffraction grating is formed on the light source side surface of the plate-shaped member,
The tilt sensor according to claim 2, wherein the second diffraction grating is formed on a surface of the plate-like member opposite to the light source side.
前記第1の回折格子の格子ピッチ及び前記第2の回折格子の格子ピッチは、同一又は僅かに異なることを特徴とする請求項3に記載のチルトセンサ。   The tilt sensor according to claim 3, wherein the grating pitch of the first diffraction grating and the grating pitch of the second diffraction grating are the same or slightly different. 前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の格子ピッチは同一であり、
前記受光素子は、前記光学ユニットに対する前記照明光の入射角度の変化を検出することを特徴とする請求項3に記載のチルトセンサ。
The grating pitch of the first diffraction grating and the second diffraction grating is the same,
The tilt sensor according to claim 3, wherein the light receiving element detects a change in an incident angle of the illumination light with respect to the optical unit.
前記部材は、ガラスから成ることを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載のチルトセンサ。   The tilt sensor according to claim 2, wherein the member is made of glass. 照明光を出射する光源と;
前記光源側の面に回折格子が設けられ、これと反対側の面に反射膜が形成された任意の屈折率を有する光学素子と;
前記回折格子を通過した後、前記反射膜で反射され、前記回折格子を再度通過した光を受光し、前記照明光と前記光学素子との相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と;を備えるチルトセンサ。
A light source that emits illumination light;
An optical element having an arbitrary refractive index in which a diffraction grating is provided on the surface on the light source side and a reflective film is formed on the surface on the opposite side;
A light receiving element that receives the light reflected by the reflective film after passing through the diffraction grating and re-passed through the diffraction grating, and outputs a signal relating to a relative angle change between the illumination light and the optical element; A tilt sensor.
前記受光素子は、多分割受光素子であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のチルトセンサ。   The tilt sensor according to claim 1, wherein the light receiving element is a multi-part light receiving element. 所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、
第1の回折格子と、前記第1の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第2の回折格子とを有する光学ユニットと;
前記光学ユニットを経由した照明光を受光し、前記光学ユニットに入射する照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と;を備えるエンコーダ。
An encoder that irradiates illumination light to a pattern arranged along a predetermined direction and detects the pattern,
An optical unit having a first diffraction grating and a second diffraction grating arranged in a predetermined positional relationship with respect to the optical path direction of the illumination light with respect to the first diffraction grating;
An encoder comprising: a light receiving element that receives illumination light that has passed through the optical unit, and that outputs a signal related to a relative angle change between the illumination light incident on the optical unit and the optical unit.
前記光学ユニットは、前記第1の回折格子と前記第2の回折格子とが形成された板状部材を有し、
前記パターンは前記板状部材に形成されることを特徴とする請求項9に記載のエンコーダ。
The optical unit has a plate-like member on which the first diffraction grating and the second diffraction grating are formed,
The encoder according to claim 9, wherein the pattern is formed on the plate-like member.
所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、
請求項1〜8のいずれか一項に記載のチルトセンサを備えるエンコーダ。
An encoder that irradiates illumination light to a pattern arranged along a predetermined direction and detects the pattern,
The encoder provided with the tilt sensor as described in any one of Claims 1-8.
前記チルトセンサを構成する光学ユニットの回折格子を前記被検物体の位置を計測する回折格子として用いることを特徴とする請求項11に記載のエンコーダ。   The encoder according to claim 11, wherein a diffraction grating of an optical unit constituting the tilt sensor is used as a diffraction grating for measuring the position of the object to be measured.
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