JP2015021890A - 変位計測装置及び変位計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】変位計測装置100、光源12、コリメータレンズ14、回折格子対20、PD31を備える。PD31は、第1の回折格子21による+n次回折光(nは1以上の自然数)が第2の回折格子22に入射して第2の回折格子22から発生する−n次回折光と、第1の回折格子21による−n次回折光が第2の回折格子22に入射して第2の回折格子22から発生する+n次回折光との干渉光27を検出する。演算回路40は、PD31により得られる干渉光27の周期的な受光量の変化に応じて、回折格子対20の光軸に直交する方向における、回折格子対20の相対的な変位を算出する。すなわち、回折格子対20のz方向の相対的な移動の変位を検出対象としないので、干渉光の減衰が起こらない。これにより、検出レンジの狭小化を抑えることができる。
【選択図】図1
Description
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子は、前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する。
前記光センサは、前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する−n次回折光と、前記第1の回折格子による−n次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する+n次回折光との干渉光を検出する。
前記演算処理手段は、前記光センサで得られた信号に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の相対的な変位を算出する。
前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する−n次回折光と、前記第1の回折格子による−n次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する+n次回折光との干渉光が、光センサにより検出される。
前記光センサで得られた信号に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の相対的な変位が算出される。
(2m+1)λ/4(mは0以上の整数)
を満たすように、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子間の距離が設定されていてもよい。これにより、光センサは、できるだけ光強度の低い干渉光を受けるので、0次光によるノイズを抑制することができる。
(1)変位計測装置の構成
図1は、本発明の第1の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。
図2は、回折格子対20のx方向における相対的な変位量(μm)と、PD31で得られる電圧信号との関係を示すグラフである。この例では、回折格子対20の格子線21a及び22aのピッチは、例えば3.3μm、光源12の光の中心波長は、850nmとされた。
本発明者らは、回折格子21及び22間の距離(z方向の距離)を意図的に変えた場合に、PD31で得られる信号の変化を実測した。図5Aは、回折格子21及び22間の距離が15μmの時、図5Bは、その距離が23μmの時に、PD31で得られる信号の強度分布を示す。すなわち、縦軸の値は光センサの出力値である光強度を示し、横軸は、図1に示すx方向での位置(mm)を示し、光軸が通る位置を0mmとしている。
ところで、図1に示すように、PD31は、干渉光27の他、回折格子対20の光軸に沿って直進する0次光30も受光する。すなわち実際には、PD31は、第1の回折光23、第2の回折光25及び0次光30の、3つの光の干渉光28(図1参照)を受光する。しかしながら、この0次光30は、基本的には変位Δxの計測処理に不要であり、0次光が、PD31の出力信号にノイズとして現れる。
(2m+1)λ/4(mは0以上の整数)
を満たすような距離である。上記したように、第1の回折光23及び第2の回折光25には光路差は実質的に発生しないので、実質的には、0次光と、第1の回折光23(または第2の回折光25)との光路差が上記式を満たせばよい。
この第1の実施形態では、A/D変換器41は波形信号の波数をカウントしたが、上ピーク及び下ピークの検出を行うことにより、半波長ごとに1カウントを出力してもよい。これにより、変位計測装置は、格子線ピッチ(例えば3.3μm)の半分(例えば1.65μm)の分解能で変位を計測することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る変位計測装置について説明する。
(1)変位計測装置の構成
図10は、本発明の第3の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。図11は、この第3の実施形態に係る第2の回折格子の構成を示す。
図13は、PD33で得られる信号、つまりy1受光領域33A及びy2受光領域33Bからそれぞれ得られる信号(第1の波形信号S1及び第2の波形信号S2)を示す。横軸は変位、縦軸は受光量を表す検出値(電圧値)である。y1シフト領域122A及びy2シフト領域122Bで格子線パターンが互いに、格子線ピッチの1/4ピッチ分シフトしていることにより、信号S1及びS2の位相も、このように1/4シフトする。
図14は、本発明の第4の実施形態に係る変位計測装置の回折格子対のうち、z方向で見た第2の回折格子を示す。図15は、この変位計測装置においてz方向で見たPDの受光領域を示す。
図18は、本発明の第5の実施形態に係る変位計測装置の演算回路の機能的構成を示すブロック図である。この第5の実施形態に係る変位計測装置は、図示しないが、上記のように3つのシフト領域を有する第2の回折格子を備え、また、それらシフト領域に対応する3つの受光領域を有するPDを備える。
図20は、例えば図1に示した光学系を保持する保持機構を含む変位計測装置100(または200でもよい)の一実施形態を示す。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
20、120、220…回折格子対
21…第1の回折格子
21a、22a、123、223…格子線
22、122、222、…第2の回折格子
23…第1の回折光
23a…+n次回折光
23b…−n次回折光
25…第2の回折光
25a…−n次回折光
25b…+n次回折光
27、28…干渉光
30(30a、30b)…0次光
31、33、34…PD
33A、33B、34A〜34D…受光領域
40、140、240、340、440…演算回路
42、342、442…データ参照部
43、343、443…データ記憶部
41…A/D変換器
44、45…スイッチ
46…出力タイミング制御部
100、200…変位計測装置
122A、122B、222A〜222D…シフト領域
50…保持機構
51…第1のホルダ
52…第2のホルダ
341、441…カウント部
444…平均値算出部
Claims (12)
- 光源と、
前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する第1の回折格子及び第2の回折格子と、
前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する−n次回折光と、前記第1の回折格子による−n次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する+n次回折光との干渉光を検出する光センサと、
前記光センサで得られた信号に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の相対的な変位を算出する演算処理手段と
を具備する変位計測装置。 - 請求項1に記載の変位計測装置であって、
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子は、複数の格子線をそれぞれ有し、
前記演算処理手段は、前記複数の格子線の配列方向に沿う前記変位を算出する
変位計測装置。 - 請求項2に記載の変位計測装置であって、
前記光センサは、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子を前記光軸に沿って直進する0次光を受けることにより、前記第2の回折格子により発生する前記±n次回折光と、前記0次光との干渉光を検出し、
前記±n次回折光と、前記0次光との光路差が、
(2m+1)λ/4(mは0以上の整数)
を満たすように、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子間の距離が設定されている
変位計測装置。 - 請求項2に記載の変位計測装置であって、
前記演算処理手段は、前記光センサで得られた、前記複数の格子線の格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する検出値出力部を有し、
前記検出値出力部は、前記演算処理手段が前記格子線ピッチより小さい間隔で変位を出力するように設定された所定の検出レベルを有する
変位計測装置。 - 請求項2に記載の変位計測装置であって、
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子のうちいずれか一方は、分割されて構成される複数のシフト領域を有し、
前記複数のシフト領域は、前記複数の格子線の配列方向に、格子線ピッチの1/2より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有し、
前記光センサは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有する
変位計測装置。 - 請求項5に記載の変位計測装置であって、
前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる信号を、所定のタイミングで選択的に切り替え、選択した1つの信号を演算処理に用いる
変位計測装置。 - 請求項6に記載の変位計測装置であって、
前記演算処理手段は、
前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する検出値出力部と、
前記波形信号のうち処理対象とされた第1の波形信号の振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで、処理対象を第2の波形信号に切り替える切替部とを有する
変位計測装置。 - 請求項7に記載の変位計測装置であって、
前記演算処理手段は、前記第1の波形信号と前記第2の波形信号との交点での検出値、または、前記交点での検出値と同じレベルの検出値を、前記所定の検出値として処理する
変位計測装置。 - 請求項5に記載の変位計測装置であって、
前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の交点をカウントするカウント部を有し、前記カウント部によるカウント値に基づき、前記変位を算出する
変位計測装置。 - 請求項5に記載の変位計測装置であって、
前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号と、それら波形信号の平均値との交点をカウントするカウント部を有し、前記カウント部によるカウント値に基づき、前記変位を算出する
変位計測装置。 - 請求項1から10のうちいずれか1項に記載の変位計測装置であって、
前記光源及び前記第1の回折格子を保持する第1のホルダと、
前記第2の回折格子及び前記光センサを保持する第2のホルダと、
前記第1のホルダ及び前記第2のホルダを、前記光軸に直交する方向に沿って相対移動可能に接続する接続部とをさらに具備する
変位計測装置。 - 光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な第1の回折格子及び第2の回折格子に、前記光源からの光が入射することにより、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子から回折光をそれぞれ発生させ、
前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する−n次回折光と、前記第1の回折格子による−n次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する+n次回折光との干渉光を、光センサにより検出し、
前記光センサで得られた信号に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子の相対的な変位を算出する
変位計測方法。
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