JP2013003146A

JP2013003146A - 変位センサ

Info

Publication number: JP2013003146A
Application number: JP2012134091A
Authority: JP
Inventors: Joseph D Tobiason; ダニエルトバイアソンジョセフ
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: US20120312972A1; CN102865817B; JP6161240B2; CN102865817A; EP2535686A2; EP2535686A3; US8604413B2; EP2535686B1

Abstract

【課題】一次元のスケール格子に対するスケール光結像系の二次元の変位を検出でき、構造が簡単な変位センサを提供する。
【解決手段】Ｘ方向に配置されたスケール格子１１０から結像系１９０にＺ軸にほぼ平行なスケール光成分ＯＰ１Ａ、ＯＰ１Ｂを射出し、Ｚ方向に平行な光路ＯＰ１に沿って伝播した当該スケール光成分を受光した検出部２０１は、Ｘ方向の変位を示す変位信号を出力し、スケール格子１１０から結像系１９０にＺ軸から傾いた方向にほぼ平行にスケール光成分ＯＰ２Ａ、ＯＰ２Ｂを射出し、Ｚ方向から傾いた光路ＯＰ２に沿って伝播した当該スケール光成分を受光した検出部２０２は、Ｘ方向の変位とＺ方向の変位とを含む変位信号を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、変位センサに関し、特に、スケール格子に対するスケール光結像系の変位を光学的に検出する変位センサに関する

一次元のスケール格子に対するスケール光結像系の二次元の変位を光学的に検出するエンコーダが開示されている（特許文献１参照）。しかしながら、その構造は複雑である。

米国特許第７，６０１，９４７号公報

従って、本発明の目的は、一次元のスケール格子に対するスケール光結像系の二次元の変位を検出でき、構造が簡単な変位センサを提供することにある。

本発明の一態様によれば、
第１の方向に配置され、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に延在する格子バーを有するスケール格子であって、前記第１の方向および前記第２の方向に垂直な第３の方向に沿って該スケール格子に入射する平面波の回折次数角度に相当する回折面を定める前記スケール格子と、
スケール光結像系と、
を備える変位センサであって、
前記スケール光結像系は、
前記平面波と同じ波長の照明光を前記スケール格子に供給するように構成された照明部と、
第１および第２の光路を有する結像系と、
第１および第２の検出部を有する検出器と、を備え、
前記スケール格子から前記結像系に第１のスケール光成分を射出し、前記第１のスケール光成分が前記第１の光路に沿って前記第１の検出器部に向い、
前記スケール格子から前記結像系に第２のスケール光成分を射出し、前記第２のスケール光成分が前記第２の光路に沿って前記第２の検出器部に向かい、前記第２の光路は、前記スケール格子近傍では、前記第３の方向に対して所定の角度傾いており、前記所定の角度は、前記第３の方向と前記第１の方向を含む面内で定められるように構成され、
前記第１の検出部は、前記第１の光路に沿って伝播した前記第１のスケール光成分を受光し、前記スケール格子に対する前記スケール光結像系の前記第１の方向に沿った変位を示す第１の信号成分を少なくとも含む第１の変位信号を出力するように構成され、
前記第２の検出部は、前記第２の光路に沿って伝播した前記第２のスケール光成分を受光し、前記第１の信号成分および前記第１の方向および前記第３の方向に沿った前記スケール格子に対する前記スケール光結像系の変位を示す第２の信号成分を含む第２の変位信号を出力するように構成されている変位センサが提供される。

本発明によれば、一次元のスケール格子に対するスケール光結像系の二次元の変位を検出でき、構造が簡単な変位センサが提供される。

図１は、本発明の第１の実施の形態の変位センサを説明するための概略斜視図である。図２は、本発明の第１の実施の形態の変位センサを説明するための概略縦断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態の変位センサを説明するための概略図である。図４は、本発明の第２の実施の形態の変位センサを説明するための概略斜視図である。図５は、本発明の第３の実施の形態の変位センサを説明するための概略縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１、２を参照すれば、第１の実施の形態の変位センサ１００は、スケール格子１１０と、スケール光結像系１２０とを備えている。

スケール格子１１０は、Ｘ方向に間隔Ｐ_ＳＧで配置された格子バー１１８を備えている。間隔Ｐ_ＳＧはいくつかの実施の形態では、１μｍである。各格子バー１１８は、Ｘ方向に直交するＹ方向に延在している。スケール格子１１０は、１セットの回折面１１１、１１２、１１３を定める。回折面１１１、１１２、１１３は、スケール格子１１０に垂直に入射する平面波の回折次数角度θ１、θ２、θ３にそれぞれ相当する。本実施の形態では、θ１＝０、θ２＝−θ３である。回折面１１１はＸ方向に垂直である。回折面１１２、１１３は回折面１１１に対して対称である。本実施の形態においては、スケール格子１１０は透過型のスケール格子である。しかしながら、反射型のスケール格子を使用することもできる。

スケール光結像系１２０は、照明部１６０、結像系１９０および検出器２００を備えている。照明部１６０は、スケール格子１１０に照明光ビーム１３３を供給する。照明部１６０は、光源１３０、レンズ１４０、格子１５０Ａおよび格子１５０Ｂを備えている。光源１３０は、光ビーム１３１を発生する。光ビーム１３１の波長は、いくつかの実施の形態では、０．６５０μｍである。レンズ１４０は、光ビーム１３１を、格子１５０Ａに入射する平行光ビーム１３２する。

格子１５０Ａは、互いの間隔がＰ_{ｓｐｌｉｔ}の格子バーを備え、格子１５０Ｂは、互いの間隔がＰ_ｃｏｍｂの格子バーを備えている。いくつかの実施の形態では、Ｐ_{ｓｐｌｉｔ}は０．９７６μｍであり、Ｐ_ｃｏｍｂは０．５００μｍである。他の実施の形態では、Ｐ_{ｓｐｌｉｔ}は１．０２６μｍである。なお、これらの値は例示であって、限定的なものではない。格子１５０Ａと格子１５０Ｂは、平行光ビーム１３２から照明光ビーム１３３を生成する。照明光ビーム１３３は、照明光成分Ａと照明光成分Ｂとを備えている。照明光成分Ａは回折面１１３に対して偏角ＤＡＡ傾いている。照明光成分Ｂは回折面１１２に対して偏角ＤＡＢ傾いている。

また、格子１５０Ａと格子１５０Ｂは、照明光成分Ａ’と照明光成分Ｂ’とを生成する。照明光成分Ａ’と照明光成分Ｂ’は、それぞれ回折面１１３および回折面１１２に対して偏角ＤＡＡおよび偏角ＤＡＢ傾いている。照明光成分Ａ’と照明光成分Ｂ’は格子１５０Ａと格子１５０Ｂの、照明光成分Ａと照明光成分Ｂを生成する箇所からＹ方向に離れた箇所から生成される。

格子１５０Ａと格子１５０Ｂは、照明光１３２から生成される０次光の出射を抑制し、Ｘ方向に垂直な面に平行な照明光成分を抑制し、その結果、当該面に平行な照明光成分をなくすように構成されている位相格子を備えている。

回折面１１１、１１２および１１３に対する照明光成分Ａ、照明光成分Ａ’、照明光成分Ｂおよび照明光成分Ｂ’の配置は照明部１６０の重要な特徴である。照明部１６０の他の実施の形態として、照明光ビーム１３３内で照明光成分Ａ、Ａ’、ＢおよびＢ’の同様な配置をもたらし、検出器２００の光検出器をいっぱいに照明するために結像系１９０によって像が形成される領域よりも大きいスケール格子１１０上の領域に、照明光成分Ａ、Ａ’、ＢおよびＢ’が重なるようなピッチを単一の格子が有している限り、当該単一の格子を使用してもよい。

なお、照明部１６０は、例示であって、限定的なものではない。上記のように配置され、相互にコヒーレントな照明光成分Ａおよび照明光成分Ｂを有する照明光１３３をもたらす照明部であれば、使用できる。

照明光成分Ａは、スケール格子１１０によって回折され、スケール光成分ＯＰ１Ａ、スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ａを生成する。スケール光成分ＯＰ１Ａは、照明光成分Ａから生成され、スケール光成分ＯＰ１Ａが回折面１１１から偏角ＤＡＡに相当する角度θＯＰ１Ａだけ逸れるように回折面１１１に実質的に沿ってスケール格子１１０から出射される。スケール光成分ＯＰ２Ａは、照明光成分Ａから生成され、スケール光成分ＯＰ１Ａが回折面１１２から偏角ＤＡＡに相当する角度θＯＰ２Ａだけ逸れるように回折面１１２に実質的に沿ってスケール格子１１０から出射される。スケール光成分ＯＰ３Ａは、照明光成分Ａから生成され、スケール光成分ＯＰ１Ａが回折面１１３から偏角ＤＡＡに相当する角度θＯＰ３Ａだけ逸れるように回折面１１３に実質的に沿ってスケール格子１１０から出射される。

照明光成分Ｂは、スケール格子１１０によって回折され、スケール光成分ＯＰ１Ｂ、スケール光成分ＯＰ２Ｂおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂを生成する。スケール光成分ＯＰ１Ｂは、照明光成分Ｂから生成され、スケール光成分ＯＰ１Ｂが回折面１１１から偏角ＤＡＢに相当する角度θＯＰ１Ｂだけ逸れるように回折面１１１に実質的に沿ってスケール格子１１０から出射される。スケール光成分ＯＰ２Ｂは、照明光成分Ｂから生成され、スケール光成分ＯＰ１Ｂが回折面１１２から偏角ＤＡＢに相当する角度θＯＰ２Ｂだけ逸れるように回折面１１２に実質的に沿ってスケール格子１１０から出射される。スケール光成分ＯＰ３Ｂは、照明光成分Ｂから生成され、スケール光成分ＯＰ１Ｂが回折面１１３から偏角ＤＡＢに相当する角度θＯＰ３Ｂだけ逸れるように回折面１１３に実質的に沿ってスケール格子１１０から出射される。

照明光成分Ａに対する回折面１１３、１１１、１１２の回折次数は、それぞれ、０、１、２である。照明光成分Ｂに対する回折面１１３、１１１、１１２の回折次数は、それぞれ、−２、−１、０である。回折面１１１および１１２の回折次数は互いに１異なる。回折面１１１および１１３の回折次数は互いに１異なる。回折面１１２および１１３の回折次数は互いに２異なる。しかしながら、回折面１１２および１１３の回折次数は、互いに整数Ｎ（Ｎは少なくとも１である）異なっていてもよい（中央の回折面は任意であってよく、Ｎ＝１の場合は、信号周期は、スケール間隔である）。

照明光成分Ａ’およびＢ’は、スケール格子１１０によって回折され、スケール光成分ＯＰ１Ａ’、ＯＰ１Ｂ’、ＯＰ２Ａ’、ＯＰ２Ｂ’、ＯＰ３Ａ’、ＯＰ３Ｂ’（図示せず）を生成する。スケール光成分ＯＰ１Ａ’、ＯＰ１Ｂ’、ＯＰ２Ａ’、ＯＰ２Ｂ’、ＯＰ３Ａ’、ＯＰ３Ｂ’（図示せず）は、それぞれ、スケール光成分ＯＰ１Ａ、ＯＰ１Ｂ、ＯＰ２Ａ、ＯＰ２Ｂ、ＯＰ３Ａ、ＯＰ３Ｂと略平行である。

スケール光結像系１２０の結像系１９０は、偏向素子ＤＥＯＰ２およびＤＥＯＰ３と、テレセントリック結像部１８０とを備えている。いくつかの実施の形態では、図１、２に示されているように、偏向素子ＤＥＯＰ２およびＤＥＯＰ３はプリズムを備えている。他の実施の形態では、偏向素子ＤＥＯＰ２およびＤＥＯＰ３は格子または鏡を備えていてもよい。テレセントリック結像部１８０は、レンズ１８１、アパーチャスリット１８２およびレンズ１８３を備えるダブルテレセントリック結像系である。アパーチャスリット１８２は、レンズ１８１の焦平面とレンズ１８３の焦平面に配置されている。テレセントリック結像部１８０は、Ｘ方向およびＹ方向に垂直なＺ方向の光軸ＯＡを備えている。検出器２００は、Ｘ方向に配置された３つの検出部２０１、２０２、２０３を備えている（図３参照）。検出部２０１は、Ｙ方向に配置された検出器ＤＥＴ１およびＤＥＴ１’を備えている。検出部２０２は、Ｙ方向に配置された検出器ＤＥＴ２およびＤＥＴ２’を備えている。検出部２０３は、Ｙ方向に配置された検出器ＤＥＴ３およびＤＥＴ３’を備えている。

スケール光結像系１２０は、３つの光路ＯＰ１，ＯＰ２およびＯＰ３を備えている。光路ＯＰ１は、Ｘ方向に垂直であり、回折面１１１に平行な最初の光路部ＯＰ１１と、テレセントリック結像部１８０を通る次の光路部ＯＰ１２を備えている。光路ＯＰ１の最初の光路部ＯＰ１１と光路ＯＰ１の次の光路部ＯＰ１２は、テレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに一致している。

スケール格子１１０は、最初の光路部ＯＰ１１に沿ってスケール光成分ＯＰ１Ａおよびスケール光成分ＯＰ１Ｂを出射するように構成されている。スケール光成分ＯＰ１Ａおよびスケール光成分ＯＰ１Ｂは、スケール格子１１０から出射し、テレセントリック結像部１８０に入射するので、光路ＯＰ１の最初の光路部ＯＰ１１に沿うスケール光成分ＯＰ１Ａは、テレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに平行なアライメントから偏角ＤＡＡに相当する角度θＯＰ１Ａだけ逸れ、光路ＯＰ１の最初の光路部ＯＰ１１に沿うスケール光成分ＯＰ１Ｂは、テレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに平行なアライメントから偏角ＤＡＢに相当する角度θＯＰ１Ｂだけ逸れている。

テレセントリック結像部１８０は、検出部２０１に対して、スケール光成分ＯＰ１Ａおよびスケール光成分ＯＰ１Ｂを出射するように構成されている。検出部２０１は、光軸ＯＰ１に沿って送られてきたスケール光成分ＯＰ１Ａおよびスケール光成分ＯＰ１Ｂを受光し、スケール格子１１０に対するスケール光結像系１２０のＸ方向に沿う変位を示す信号成分のみを含む変位信号を出力するように構成されている。

光路ＯＰ２は、テレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに平行でない回折面１１２に平行な最初の光路部ＯＰ２１と、テレテレセントリック結像部１８０を通る次の光路部ＯＰ２２と、光路偏向素子として機能し、最初の光路部ＯＰ２１と次の光路部ＯＰ２２との間に位置する偏向素子ＤＥＯＰ２とを備えている。

スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂは、スケール格子１１０によって、最初の光路部ＯＰ２１に沿って出射される。スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂは、スケール格子１１０から出射するとき、光路ＯＰ２の最初の光路部ＯＰ２１に沿って、スケール光成分ＯＰ２Ａは、回折面１１２から偏角ＤＡＡに相当する角度θＯＰ２Ａだけ逸れ、スケール光成分ＯＰ２Ｂは、回折面１１２から偏角ＤＡＢに相当する角度θＯＰ２Ｂだけ逸れる。

スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂがテレセントリック結像部１８０に入射するとき、偏向素子ＤＥＯＰ２は、光路ＯＰ２の最初の光路部ＯＰ２１に沿うスケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂを受け、スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂがテレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに平行なアライメントから偏角ＤＡＡおよび偏角ＤＡＢにそれぞれ相当する量だけ逸れるように、スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂを偏向するように構成されている。

テレセントリック結像部１８０は、検出部２０２に対して、スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂを出射するように構成されている。検出部２０２は、光軸ＯＰ２に沿って送られてきたスケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂを受光し、スケール格子１１０に対するスケール光結像系１２０のＸ方向に沿う変位を示す信号成分とスケール格子１１０に対するスケール光結像系１２０のＺ方向に沿う変位を示す信号成分とを含む変位信号を出力するように構成されている。

光路ＯＰ３は、任意の構成であるが、テレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに平行でない回折面１１３に平行な最初の光路部ＯＰ３１と、テレセントリック結像部１８０を通る次の光路部ＯＰ３２と、光路偏向素子として機能し、最初の光路部ＯＰ３１と次の光路部ＯＰ３２との間に位置する偏向素子ＤＥＯＰ３とを備えている。

スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂは、スケール格子１１０によって、最初の光路部ＯＰ３１に沿って出射される。スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂは、スケール格子１１０から出射するとき、光路ＯＰ３の最初の光路部ＯＰ３１に沿って、スケール光成分ＯＰ３Ａは、回折面１１３から偏角ＤＡＡに相当する角度θＯＰ３Ａだけ逸れ、光路ＯＰ３の最初の光路部ＯＰ３１に実質的に沿うスケール光成分ＯＰ３Ｂは、回折面１１３から偏角ＤＡＢに相当する角度θＯＰ３Ｂだけ逸れる。

スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂがテレセントリック結像部１８０に入射するとき、偏向素子ＤＥＯＰ３は、光路ＯＰ３の最初の光路部ＯＰ３１に実質的に沿うスケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂを受け、スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂがテレセントリック結像部１８０の光軸ＯＡに平行なアライメントから偏角ＤＡＡおよび偏角ＤＡＢにそれぞれ相当する量だけ逸れるように、スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂを偏向するように構成されている。

テレセントリック結像部１８０は、検出部２０３に対して、スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂを出射するように構成されている。検出部２０３は、光軸ＯＰ３に沿って送られてきたスケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂを受光し、スケール格子１１０に対するスケール光結像系１２０のＸ方向に沿う変位を示す信号成分とスケール格子１１０に対するスケール光結像系１２０のＺ方向に沿う変位を示す信号成分とを含む変位信号を出力するように構成されている。

スケール光成分ＯＰ１Ａ’、ＯＰ１Ｂ’、ＯＰ２Ａ’、ＯＰ２Ｂ’、ＯＰ３Ａ’、ＯＰ３Ｂ’は、光路ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３にそれぞれ平行な光路ＯＰ１’、ＯＰ２’、ＯＰ３’に沿う。スケール光成分ＯＰ１Ａ’、ＯＰ１Ｂ’、ＯＰ２Ａ’、ＯＰ２Ｂ’、ＯＰ３Ａ’、ＯＰ３Ｂ’は、それぞれ、テレセントリック結像部１８０によって、同様の対で、検出部２０１、２０２、２０３、より具体的には、検出器ＤＥＴ１’、ＤＥＴ２’、ＤＥＴ３’に対して出射される。検出器ＤＥＴ１’、ＤＥＴ２’、ＤＥＴ３’は、任意の構成要素であって、以下により詳細に議論されるように、更なる自由度を検出するのに使用される。

図３を参照すれば、検出器ＤＥＴ１は、スケール光成分ＯＰ１Ａおよびスケール光成分ＯＰ１Ｂの干渉によって作成された強度パターンＩＰ１を受光するように構成されている。検出器ＤＥＴ１’は、スケール光成分ＯＰ１Ａ’およびスケール光成分ＯＰ１Ｂ’の干渉によって作成された強度パターンＩＰ１’を受光するように構成されている。検出器ＤＥＴ２は、スケール光成分ＯＰ２Ａおよびスケール光成分ＯＰ２Ｂの干渉によって作成された強度パターンＩＰ２を受光するように構成されている。検出器ＤＥＴ２’は、スケール光成分ＯＰ２Ａ’およびスケール光成分ＯＰ２Ｂ’の干渉によって作成された強度パターンＩＰ２’を受光するように構成されている。検出器ＤＥＴ３は、スケール光成分ＯＰ３Ａおよびスケール光成分ＯＰ３Ｂの干渉によって作成された強度パターンＩＰ３を受光するように構成されている。検出器ＤＥＴ３’は、スケール光成分ＯＰ３Ａ’およびスケール光成分ＯＰ３Ｂ’の干渉によって作成された強度パターンＩＰ３’を受光するように構成されている。

強度パターンＩＰ１、ＩＰ１’、ＩＰ２、ＩＰ２’、ＩＰ３およびＩＰ３’の各々は、干渉縞ピッチＦＰを有する干渉縞の周期的パターンを備えている。Ｎが１の場合の実施の形態では、干渉縞ピッチＦＰは、スケール格子１１０の格子バー１１８の間隔Ｐ_ＳＧと等しい。種々の実施の形態では、格子１５０Ａの格子バーの間隔Ｐ_{ｓｐｌｉｔ}が、正確に格子１５０Ｂの格子バーの間隔Ｐ_ｃｏｍｂの２倍ではなく、間隔Ｐ_ｃｏｍｂの２倍よりも少し小さい。ここでの実施の形態において、もし、間隔Ｐ_{ｓｐｌｉｔ}が、正確に間隔Ｐ_ｃｏｍｂの２倍であったら、すなわち、１μｍであったら、偏角ＤＡＡおよび偏角ＤＡＢは共に０になり、検出器に入射するスケール光の各対は、同じ光路を進み、干渉せず、各強度パターンを生成しないであろう。従って、間隔Ｐ_ｃｏｍｂの２倍よりも少し小さい間隔Ｐ_{ｓｐｌｉｔ}が、本実施の形態に従って、位置を測定するのに使用される強度パターンを作成するには、重要である。

検出器ＤＥＴ１、ＤＥＴ１’、ＤＥＴ２、ＤＥＴ２’、ＤＥＴ３およびＤＥＴ３’は互いに同じ構造である。従って、検出器ＤＥＴ１を例にとってこれらの検出器を説明する。検出器ＤＥＴ１は、Ｘ方向に周期的に配置された光検出器ＤＥＴ１１〜ＤＥＴ１８を備えている。４つの光検出器ＤＥＴ１１〜ＤＥＴ１４と、４つの光検出器ＤＥＴ１５〜ＤＥＴ１８は、それぞれ強度パターンＩＰ１の１サイクルに相当する。４つの光検出器ＤＥＴ１１〜ＤＥＴ１４と、４つの光検出器ＤＥＴ１５〜ＤＥＴ１８とは並列に接続されている。

検出器ＤＥＴ１にとって、Ｘ方向の変位ΔＸによる強度パターンＩＰ１の直角信号位相変化（quadrature signal phase change）ΔPhase1は、

（１）
で表される。ここで、Ｎは、光路ＯＰ１に沿って一緒に伝播するスケール光成分ＯＰ１ＡおよびＯＰ１Ｂの回折次数の差に相当する整数であり、この場合、この差は、１−（−１）＝２である。Ｐ_ＳＧは、格子１１０の格子バー１１８の間隔である。

検出器ＤＥＴ１’にとって、Ｘ方向の変位ΔＸ’による強度パターンＩＰ１’の直角信号位相変化（quadrature signal phase change）ΔPhase1’は、

（２）
で表される。ここで、Ｎは、光路ＯＰ１’に沿って一緒に伝播するスケール光成分ＯＰ１Ａ’およびＯＰ１Ｂ’の回折次数の差に相当する整数であり、この場合、この差は、１−（−１）＝２である。Ｐ_ＳＧは、格子１１０の格子バー１１８の間隔である。

検出器ＤＥＴ２にとって、Ｘ方向の変位ΔＸとＺ方向の変位ΔＺ_２による強度パターンＩＰ２の直角信号位相変化（quadrature signal phase change）ΔPhase2は、

（３）
で表される。ここで、Ｎは、光路ＯＰ２に沿って一緒に伝播するスケール光成分ＯＰ２ＡおよびＯＰ２Ｂの回折次数の差に相当する整数であり、この場合、この差は、２−０＝２である。Ｐ_ＳＧは、格子１１０の格子バー１１８の間隔である。ΔＺ_２は、検出器ＤＥＴ２上に結像するスケール１１０上の位置におけるＺ変位である。θ２は、スケール格子１１０上への光路ＯＰ２の入射角であり、回折面１１２の回折角である。

検出器ＤＥＴ２’にとって、Ｘ方向の変位ΔＸ’とＺ方向の変位ΔＺ_２’による強度パターンＩＰ２’の直角信号位相変化（quadrature signal phase change）ΔPhase2’は、

（４）
で表される。ここで、Ｎは、光路ＯＰ２に沿って一緒に伝播するスケール光成分ＯＰ２ＡおよびＯＰ２Ｂの回折次数の差に相当する整数であり、この場合、この差は、２−０＝２である。Ｐ_ＳＧは、格子１１０の格子バー１１８の間隔である。ΔＺ_２’は、検出器ＤＥＴ２’上に結像するスケール１１０上の位置におけるＺ変位である。θ２は、スケール格子１１０上への光路ＯＰ２の入射角であり、回折面１１２の回折角である。

検出器ＤＥＴ３にとって、Ｘ方向の変位ΔＸとＺ方向の変位ΔＺ_３による強度パターンＩＰ３の直角信号位相変化（quadrature signal phase change）ΔPhase3は、

（５）
で表される。ここで、Ｎは、光路ＯＰ３に沿って一緒に伝播するスケール光成分ＯＰ３ＡおよびＯＰ３Ｂの回折次数の差に相当する整数であり、この場合、この差は、０−（−２）＝２である。Ｐ_ＳＧは、格子１１０の格子バー１１８の間隔である。ΔＺ_３は、検出器ＤＥＴ３上に結像するスケール１１０上の位置におけるＺ変位である。θ３は、スケール格子１１０上への光路ＯＰ３の入射角であり、回折面１１３の回折角である。

検出器ＤＥＴ３’にとって、Ｘ方向の変位ΔＸ’とＺ方向の変位ΔＺ_３’による強度パターンＩＰ３’の直角信号位相変化（quadrature signal phase change）ΔPhase3’は、

（６）
で表される。ここで、Ｎは、光路ＯＰ３に沿って一緒に伝播するスケール光成分ＯＰ３ＡおよびＯＰ３Ｂの回折次数の差に相当する整数であり、この場合、この差は、０−（−２）＝２である。Ｐ_ＳＧは、格子１１０の格子バー１１８の間隔である。ΔＺ_３は、検出器ＤＥＴ３上に結像するスケール１１０上の位置におけるＺ変位である。θ３は、スケール格子１１０上への光路ＯＰ３の入射角であり、回折面１１３の回折角である。

式（１）は、位相変化Δphase1に関して解けてΔＸが求まる。従って、スケール格子１１０とスケール光結像系１２０との間のＸ方向の変位が得られる。式（３）から式（１）を引くと、位相変化Δphase2とΔphase1に関するΔＺ_２が得られる。式（５）から式（１）を引くと、位相変化Δphase3とΔphase1に関するΔＺ_３が得られる。従って、スケール格子１１０とスケール光結像系１２０との間のＺ方向の変位が得られる。

平均ΔＺは、ΔＺ_２とΔＺ_３から計算できる。

式（２）は、位相変化Δphase1’に関して解けてΔＸ’が求まる。式（４）から式（２）を引くと、位相変化Δphase2’とΔphase1’に関するΔＺ２’が得られる。式（６）から式（２）を引くと、位相変化Δphase3’とΔphase1’に関するΔＺ_３’が得られる。Ｘ方向とＹ方向における検出器のオフセットが既知であれば、ΔＸ’、ΔＺ_２’およびΔＺ_３’の値はΔＸ、ΔＺ_２およびΔＺ_３と比較して、スケール格子１１０のピッチ、ヨーおよびロールが求まる。

干渉縞ピッチＦＰは、各強度パターンの干渉縞の少なくとも１周期分が各検出器に入射するように小さいことが望まれる。しかしながら、各検出器の大きさには、設計上から上限および下限がある。種々の実施の形態では、干渉縞ピッチＦＰは、少なくとも１μｍであり、２００μｍ以下である。いくつかの実施の形態では、干渉縞ピッチＦＰは、少なくとも１５μｍであり、５０μｍ以下である。

偏角ＤＡＡ、偏角ＤＡＢ、回折次数角θ１、θ２およびθ３、およびテレセントリック結像部１８０の倍率は、検出器２００の光検出器の間隔に整合する所望の干渉縞ピッチＦＰを与える値に選ばれる。本実施の形態では、テレセントリック結像部１８０の倍率は、−１である。しかしながら、これは例示であって、限定的ではない。他の倍率は、照明光成分Ａ、Ａ’、ＢおよびＢ’が、結像系１９０によって結像される領域よりも大きいスケール格子１１０上の領域に重なるということを前提として、偏角ＤＡＡ、偏角ＤＡＢ、回折次数角θ１、θ２およびθ３の整合する値と共に用いられる。

他の実施の形態では、偏角ＤＡＡと偏角ＤＡＢが０に近づくように、間隔Ｐ_{ｓｐｌｉｔ}が間隔Ｐ_ｃｏｍｂに近づく。これには、検出器２００とは異なる検出器または格子１１０とは異なる格子構成が必要となる。

１００から５００μｍあるいはより大きい値の干渉縞ピッチＦＰと整合する大きい検出素子間隔を備えた検出器アレイが使用できる。もし、干渉縞ピッチＦＰが大きければ（例えば、数ミリメータまでの）、検出器２００に代えて、個別検出器が使用できる。さらに大きい値の干渉縞ピッチＦＰ（例えば、１ミリメータよりもずっと大きい）には、個別検出器を備えた偏光ビームスプリッタ（例えば、同様のものが、米国特許第４、７７６、７０１号に開示され、また、"Five-Degrees-of-Freedom Diffractive Laser Encoder" by Liu et al., Applied Optics Vol. 48, No. 14, 10 May 2009に開示されている）が使用できる。

光検出器ＤＥＴ１１〜ＤＥＴ１４およびＤＥＴ１５〜ＤＥＴ１８の幅に相当する周期の領域を備える格子を、大きい値の干渉縞ピッチＦＰ用の光検出器用に望ましい位相の出力を与える位相シフトと共に使用してもよい。しかしながら、このような構成では、小さくはなく、より高価な検出器または、より複雑で製造するのにより高価な格子が必要となる。

（第２の実施の形態）
図４を参照すれば、第２の実施の形態の変位センサは、第１の実施の形態の変位センサ１００と次の点で異なる。変位センサ１００のテレセントリック結像部１８０が、ダブルテレセントリック結像系であったのに対して、変位センサ３００のテレセントリック結像部１８０’は、レンズ１８１’とアパーチャスリット１８２’を備えるシングルテレセントリック結像系である。残りの構成は、変位センサ１００と３００とで同じである。

（第３の実施の形態）
図５を参照すれば、第３の実施の形態の変位センサは、第１の実施の形態の変位センサ１００と次の点で異なる。第１の実施の形態では、回折面１１１は、Ｘ方向に垂直であり、回折面１１２および１１３は回折面１１１に対して対称であったが、第３の実施の形態では、回折面１１１’はＸ方向に垂直であり、回折面１１２’および１１３’は互いに平行である。さらに、変位センサ４００は、照明光成分Ａから生じる＋１次の回折成分を遮蔽し、照明光成分Ｂから生じる−１次の回折成分を遮蔽する遮蔽素子１７５を備えている。これらの成分は、光路ＯＰ２’に沿ったスケール光成分と干渉する可能性がある。他の構成は両実施の形態で同じである。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１１０スケール格子
１９０結像系
２０１、２０２検出部
ＯＰ１、ＯＰ２光路
ＯＰ１Ａ、ＯＰ１Ｂ、ＯＰ２Ａ、ＯＰ２Ｂスケール光成分

Claims

第１の方向に配置され、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に延在する格子バーを有するスケール格子であって、前記第１の方向および前記第２の方向に垂直な第３の方向に沿って該スケール格子に入射する平面波の回折次数角度に相当する回折面を定める前記スケール格子と、
スケール光結像系と、
を備える変位センサであって、
前記スケール光結像系は、
前記平面波と同じ波長の照明光を前記スケール格子に供給するように構成された照明部と、
第１および第２の光路を有する結像系と、
第１および第２の検出部を有する検出器と、を備え、
前記スケール格子から前記結像系に第１のスケール光成分を射出し、前記第１のスケール光成分が前記第１の光路に沿って前記第１の検出器部に向い、
前記スケール格子から前記結像系に第２のスケール光成分を射出し、前記第２のスケール光成分が前記第２の光路に沿って前記第２の検出器部に向かい、前記第２の光路は、前記スケール格子近傍では、前記第３の方向に対して所定の角度傾いており、前記所定の角度は、前記第３の方向と前記第１の方向を含む面内で定められるように構成され、
前記第１の検出部は、前記第１の光路に沿って伝播した前記第１のスケール光成分を受光し、前記スケール格子に対する前記スケール光結像系の前記第１の方向に沿った変位を示す第１の信号成分を少なくとも含む第１の変位信号を出力するように構成され、
前記第２の検出部は、前記第２の光路に沿って伝播した前記第２のスケール光成分を受光し、前記第１の信号成分および前記第１の方向および前記第３の方向に沿った前記スケール格子に対する前記スケール光結像系の変位を示す第２の信号成分を含む第２の変位信号を出力するように構成されている変位センサ。
前記照明光は、第１の照明光成分と第２の照明光成分を有し、
前記第１の照明光成分は、前記スケール格子によって定まる回折面のうちの第１の回折面に対して第１の偏角だけ逸れて配置され、
前記第２の照明光成分は、前記スケール格子によって定まる回折面のうちの第２の回折面に対して第２の偏角だけ逸れて配置され、
前記第１のスケール光成分は、第１および第２の副スケール光成分を有し、前記第１の副スケール光成分は前記第１の照明光成分から生成され、前記第１の副スケール光成分は前記第１の回折面から前記第１の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、前記第２の副スケール光成分は前記第２の照明光成分から生成され、前記第２の副スケール光成分は前記第１の回折面から前記第２の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、
前記第２のスケール光成分は、第３および第４の副スケール光成分を有し、前記第３の副スケール光成分は前記第１の照明光成分から生成され、前記第３の副スケール光成分は前記第２の回折面から前記第１の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、前記第４の副スケール光成分は前記第２の照明光成分から生成され、前記第４の副スケール光成分は前記第２の回折面から前記第２の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、
前記第１の検出部は、前記第１および第２の副スケール光成分の干渉によって生成される第１の強度パターンを受光し、前記第２の検出部は、前記第３および第４の副スケール光成分の干渉によって生成される第２の強度パターンを受光する請求項１記載の変位センサ。
前記第１の回折面は、前記第１の方向に実質的に垂直であり、前記第１の変位信号は、前記第１の信号成分のみを含む請求項１または２記載の変位センサ。
前記第１の回折面と前記第２の回折面の回折次数の差は１である請求項３記載の変位センサ。
前記第１の変位信号と前記第２の変位信号の差は、前記第３の方向に沿った前記スケール格子に対する前記スケール光結像系の変位を示す請求項３記載の変位センサ。
前記照明部は、前記第１の方向に垂直な面に平行な照明光成分を生成しないように構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位センサ。
前記照明部は、前記第１の方向に垂直な面に平行な照明光成分を抑制して前記照明光を供給するように構成されている位相格子を備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位センサ。
前記スケール格子は、前記照明光から生成される０次光の出射を抑制するように構成されている位相格子を備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位センサ。
前記第１の回折面と前記第２の回折面の回折次数は、整数Ｎ（Ｎは少なくとも１）異なる請求項２記載の変位センサ。
Ｎは２である請求項９記載の変位センサ。
前記結像系は、テレセントリック結像部を備え、前記第１の光路は前記第１の回折面に実質的に平行な最初の光路部と、前記テレセントリック結像部を通る次の光路部と備え、前記第２の光路は前記第２の回折面に実質的に平行な最初の光路部と、前記テレセントリック結像部を通る次の光路部と備える請求項２記載の変位センサ。
前記結像系は、前記第３の方向に実質的に沿った光軸を有するテレセントリック結像部を備え、
前記第１の光路は前記第１の回折面に実質的に平行な最初の光路部と、前記テレセントリック結像部を通る次の光路部と備え、
前記第２の光路は前記第２の回折面に実質的に平行な最初の光路部と、前記テレセントリック結像部を通る次の光路部と、前記最初の光路部と前記テレセントリック結像部との間に位置する光路偏向素子とを備え、前記第２の光路の前記光路偏向素子は、前記第２の光路の前記最初の光路部に沿った第２の回折面に実質的に沿って伝播する前記第２のスケール光成分を受光し、前記第２の光路の前記次の光路部に沿った光軸に実質的に沿って伝播するように前記第２のスケール光成分を偏向するように構成されている請求項３記載の変位センサ。
前記結像系は、前記第３の方向に実質的に沿った光軸を有するテレセントリック結像部を備え、
前記第１の光路は前記第１の回折面に実質的に平行な最初の光路部と、前記テレセントリック結像部を通る次の光路部と備え、
前記第２の回折面は前記テレセントリック結像部の前記光軸と非平行であり、
前記第２の光路は前記第２の回折面に実質的に平行な最初の光路部と、前記テレセントリック結像部を通る次の光路部と、前記最初の光路部と前記テレセントリック結像部との間に位置する光路偏向素子とを備え、前記第２の光路の前記光路偏向素子は、前記第２の光路の前記最初の光路部に沿って伝播する前記第２のスケール光成分を受光し、前記第３および第４の副スケール光成分が前記テレセントリック結像部に入射されるときに、前記第３および第４の副スケール光成分が、前記テレセントリック結像部の光軸に平行なアライメントから前記第１および第２の偏角にそれぞれ相当する量だけ逸れるように前記第２のスケール光成分を偏向するように構成されている請求項２記載の変位センサ。
前記第１の回折面は、前記テレセントリック結像部の光軸に平行であり、前記第１および第２の副スケール光成分が前記スケール格子から射出し前記テレセントリック結像部に入射されるときに、前記第１の光路の最初の光路部に沿って伝播する前記第１および第２の副スケール光成分が、前記テレセントリック結像部の光軸に平行なアライメントから前記第１および第２の偏角にそれぞれ相当する量だけ逸れる請求項１３記載の変位センサ。
前記第１の光路の最初の光路部および次の光路部は、前記テレセントリック結像部の光軸に実質的に一致する請求項１４記載の変位センサ。
前記光路偏向素子は、格子またはプリズムを含む請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の変位センサ。
前記テレセントリック結像部は、レンズとアパーチャとを含むシングルテレセントリック結像系または第１のレンズ、アパーチャおよび第２のレンズをこの順に含むダブルテレセントリック結像系を含む請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の変位センサ。
前記スケール格子は、反射型のスケール格子または透過型のスケール格子である請求項１〜１７のいずれか一項に記載の変位センサ。
前記第１の検出部は、前記第２の方向に配置された第１および第２の副検出部を備え、
前記第２の検出部は、前記第２の方向に配置された第３および第４の副検出部を備える請求項１〜１８のいずれか一項に記載の変位センサ。
前記結像系は第３の光路をさらに備え、
前記検出器は第３の検出部をさらに備え、
前記変位センサは、前記スケール格子から前記スケール光結像系に第３のスケール光成分を射出し、前記第３のスケール光成分が前記第３の光路に沿って前記第３の検出器部に向うように構成され、
前記第３の検出部は、前記第３の光路に沿って伝播した前記第３のスケール光成分を受光し、前記第１の信号成分および前記第３の方向に沿った前記スケール格子に対する前記スケール光結像系の第２の変位を示す第３の信号成分を含む第３の変位信号を出力するように構成されている請求項１〜１９のいずれか一項に記載の変位センサ。
前記第１の検出部は、前記第２の方向に配置された第１および第２の副検出部を備え、
前記第２の検出部は、前記第２の方向に配置された第３および第４の副検出部を備え、
前記第３の検出部は、前記第２の方向に配置された第５および第６の副検出部を備える請求項２０記載の変位センサ。
前記第３のスケール光成分は、第５および第６の副スケール光成分を有し、前記第５の副スケール光成分は前記第１の照明光成分から生成され、前記第５の副スケール光成分は第３の回折面から前記第１の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、前記第６の副スケール光成分は前記第２の照明光成分から生成され、前記第６の副スケール光成分は前記第３の回折面から前記第２の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、
前記第１の回折面は実質的に前記第１の方向に垂直であり、前記第２および第３の回折面は、前記第１の回折面に対して対称である請求項２０または２１記載の変位センサ。
前記第３のスケール光成分は、第５および第６の副スケール光成分を有し、前記第５の副スケール光成分は前記第１の照明光成分から生成され、前記第５の副スケール光成分は第３の回折面から前記第１の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、前記第６の副スケール光成分は前記第２の照明光成分から生成され、前記第６の副スケール光成分は前記第３の回折面から前記第２の偏角に相当する量だけ逸れるように、前記スケール格子から出射され、
前記第１の回折面は実質的に前記第１の方向に垂直であり、前記第２および第３の回折面は、互いに平行である請求項２０または２１記載の変位センサ。