JP2017133892A - Rotation angle detector and rotation angle detection method - Google Patents

Rotation angle detector and rotation angle detection method Download PDF

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裕樹 清水
Hiroki Shimizu
裕樹 清水
高 偉
Isamu Ko
偉 高
伊東 聡
Satoshi Ito
聡 伊東
遠流 陳
Yuanliu Chen
遠流 陳
泰司 丸山
Taiji Maruyama
泰司 丸山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotation angle detector and a rotation angle detection method which realize angle detection over a wide angle range while enjoying the benefit of high measurement resolution due to a small spot diameter.SOLUTION: A reflection part 19 mounted on a measurement object 12 is irradiated with a collimated beam 15 generated by collimating divergent laser beams 14, and a measurement beam 21 reflected from the reflection part 19 is condensed by an objective lens 46, which is then measured by a photodetector 28 for measurement. The photodetector 28 for measurement is arranged so that the center of a light spot 31 obtained by condensing the measurement beam 21 is located at the boundary of a sensitive zone 29 and nonsensitive zone 30 of the photodetector 28 for measurement, and is mounted on a positioning stage 32. The position of the photodetector 28 for measurement is controlled by the positioning stage 32 so that when the measurement object 12 rotates, the center of a light spot 31 remains located at the boundary, and the rotation angle of the measurement object 12 is determined on the basis of information pertaining to the position control.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザーオートコリメーション法に基づく回転角度検出装置および回転角度検出方法に関するものである。   The present invention relates to a rotation angle detection device and a rotation angle detection method based on a laser autocollimation method.

機械加工の超精密化および多軸化の進展に伴い、ワーク−ツール間の相対的位置決めの高精度化が重要な課題となってきている。その際、位置決めに用いる変位検出センサの高精度化はもとより、ワークやツールの姿勢角変化を高精度に検出する手段も必要不可欠である。特に工作機械においては、その構造からくる物理的制約により、変位・姿勢角検出用センサの搭載が容易ではないことが多く、加工機上で容易に測定ができる小型のセンサが好まれる。   With the progress of ultra-precision machining and multi-axis machining, it is important to improve the relative positioning between workpiece and tool. At that time, not only high accuracy of the displacement detection sensor used for positioning, but also means for detecting the change in the posture angle of the workpiece or tool with high accuracy is indispensable. In particular, machine tools are often not easily mounted with displacement / posture angle detection sensors due to physical limitations due to their structure, and small sensors that can be easily measured on a processing machine are preferred.

従来、ワークもしくはツールを搭載するステージあるいは移動スライドの位置検出には、レーザー干渉計またはリニアエンコーダが用いられている(例えば、非特許文献1)。レーザー干渉計は、長ストロークに渡る測定が可能であるが、構造からくる物理的制約のため、工作機械においてはレーザー干渉計のレーザービームを取りまわすための光学部品の配置が困難であることが多い。その一方で、リニアエンコーダは、エンコーダスケールをスライド側面に搭載し、小型の光学センサヘッドを搭載すれば高精度な位置検出が可能であり、かつ工場などの厳しい環境においても良いロバスト性を有することから、近年ではリニアエンコーダが位置検出センサとして好まれる傾向にある。   Conventionally, a laser interferometer or a linear encoder has been used to detect the position of a stage or moving slide on which a workpiece or tool is mounted (for example, Non-Patent Document 1). Laser interferometers can be measured over long strokes, but due to physical limitations from the structure, it may be difficult to place optical components around the laser beam of a laser interferometer on a machine tool. Many. On the other hand, linear encoders must have an encoder scale on the slide side and a small optical sensor head to enable highly accurate position detection and have good robustness even in harsh environments such as factories. Therefore, in recent years, linear encoders tend to be preferred as position detection sensors.

その一方で、リニアエンコーダをスライドの位置検出センサとして用いる場合、構造からくる物理的制約により、スライドの運動軸とリニアエンコーダの測定軸とを一致させることは容易ではなく、それらの軸間には一定量の物理的オフセットが存在する。スライドが運動軸に沿って姿勢誤差なしに直線運動する理想的な場合には、この物理的オフセットは問題とならない。その一方で、実際の工作機械においては、スライドが直線運動する際には必ず微小な姿勢角誤差が発生し、この姿勢角誤差と、運動軸−センサ測定軸間オフセットによる位置決め誤差であるアッベ誤差とが発生する(例えば、非特許文献2参照)。スライド運動時の姿勢誤差は、スライド案内面の精度を向上することである程度は低減可能であるが、完全にその影響をなくすことは出来ず、ナノメートル、サブナノメートル級の超精密位置決めを実現したい場合には、スライド運動時の微小な姿勢角誤差を高精度な角度センサで検出する必要がある。   On the other hand, when using a linear encoder as a slide position detection sensor, it is not easy to match the slide motion axis with the linear encoder measurement axis due to the physical constraints of the structure. There is a certain amount of physical offset. In the ideal case where the slide moves linearly along the axis of motion without attitude error, this physical offset is not a problem. On the other hand, in an actual machine tool, a slight attitude angle error always occurs when the slide moves linearly, and this attitude angle error and Abbe error, which is a positioning error due to the offset between the movement axis and the sensor measurement axis, occur. (For example, see Non-Patent Document 2). Posture error during slide movement can be reduced to some extent by improving the accuracy of the slide guide surface, but it is not possible to completely eliminate the effect, and we want to achieve nanometer and sub-nanometer scale ultra-precision positioning. In such a case, it is necessary to detect a minute posture angle error during a slide motion with a highly accurate angle sensor.

従来、この姿勢角測定には、測定レーザービームを複数有するレーザー干渉計、または光学式オートコリメータが用いられている(例えば、非特許文献3参照)が、高い角度検出分解能が要求されるスライド姿勢角誤差測定においては、レーザー干渉計に比べて高い測定分解能を有する光学式オートコリメータが多用されている。現在、市販のオートコリメータでは、最高0.0005角度秒程度の高分解能測定が可能となっている。   Conventionally, for this attitude angle measurement, a laser interferometer having a plurality of measurement laser beams or an optical autocollimator is used (for example, see Non-Patent Document 3), but a slide attitude that requires high angle detection resolution. In angular error measurement, an optical autocollimator having a higher measurement resolution than a laser interferometer is frequently used. Currently, a commercially available autocollimator is capable of high-resolution measurement of up to about 0.0005 angle seconds.

また、受光素子に高速・高感度なフォトダイオードを用い、受光素子上でのレーザースポット径をマイクロメートルサイズまで縮小することで、0.0001角度秒を超える分解能を実現する超高感度角度センサについても開発が進められている(例えば、特許文献1、非特許文献4参照)。   An ultra-sensitive angle sensor that uses a high-speed, high-sensitivity photodiode as the light-receiving element and reduces the laser spot diameter on the light-receiving element to a micrometer size to achieve resolution exceeding 0.0001 angular seconds. Is also under development (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 4).

Kunzmann h., Pfeifer T., Flugge J., “Scales Vs Laser Interferometers, Performance and Comparison of Two Measuring Systems”, Annals of the CIRP, 1993, 42(2), p.753-767Kunzmann h., Pfeifer T., Flugge J., “Scales Vs Laser Interferometers, Performance and Comparison of Two Measuring Systems”, Annals of the CIRP, 1993, 42 (2), p.753-767 J.B. Bryan, “The Abbe Principle Revisited: An Updated Interpretation”, Prec. Eng., 1979, 1(3), p.129-132J.B. Bryan, “The Abbe Principle Revisited: An Updated Interpretation”, Prec. Eng., 1979, 1 (3), p.129-132 W. Gao, “Precision nanometrology - sensors and measuring systems for nanomanufacturing”, Springer, 2010W. Gao, “Precision nanometrology-sensors and measuring systems for nanomanufacturing”, Springer, 2010 村田大、清水裕樹、伊東聡、高偉、「超高感度角度センサに関する研究」、2013年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、2013、p.919-920Murata Univ., Hiroki Shimizu, Satoshi Ito, Kowei, “Research on Ultra High Sensitivity Angle Sensor”, 2013 JSPE Spring Conference Annual Conference, 2013, p.919-920 Akinori N., Takuto O., Taro I., “Trajectory Tracking Control on a Spiral Slope Using Inclination Sensors”, Trans. Japan Soc. Mech. Eng., 2010, Vol.76, No. 767 (C series), p.1735-1742Akinori N., Takuto O., Taro I., “Trajectory Tracking Control on a Spiral Slope Using Inclination Sensors”, Trans. Japan Soc. Mech. Eng., 2010, Vol. 76, No. 767 (C series), p .1735-1742

特許第5322099号公報Japanese Patent No. 5322099

しかしながら、特許文献1および非特許文献4に記載のような超高感度角度センサにおいては、受光素子上でのレーザースポット径を縮小して測定分解能を向上すると、測定可能角度レンジが狭小化するという原理上の問題を抱えている。0.001角度秒を超える分解能を実現しようとする場合、その測定可能角度レンジは±10角度秒程度となる。また、角度センサ出力の非線形性が極端に増大するという課題もある。さらに、最近では、光学式角度センサが、スライド運動時の姿勢角誤差のような微小な角度の測定のみならず、精密非球面形状の測定等にも適用される例(例えば、非特許文献5参照)が増えてきており、超高分解能と広測定角度範囲の両立が望まれている。   However, in the ultra-high sensitivity angle sensor as described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 4, when the laser spot diameter on the light receiving element is reduced to improve the measurement resolution, the measurable angle range is narrowed. I have a problem in principle. When a resolution exceeding 0.001 angular seconds is to be realized, the measurable angular range is about ± 10 angular seconds. There is also a problem that the nonlinearity of the angle sensor output is extremely increased. Furthermore, recently, an example in which the optical angle sensor is applied not only to measurement of a minute angle such as a posture angle error during a slide motion but also to measurement of a precise aspherical shape (for example, Non-Patent Document 5). (See)), and it is desired to achieve both ultra-high resolution and a wide measurement angle range.

以上に鑑み、本発明は、小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置、およびそれを用いた回転角度検出方法を提供することを目的とする。   In view of the above, the present invention provides an optical rotation angle detection device that realizes angle detection over a wide angle range while enjoying the benefits of high measurement resolution due to a small spot diameter, and a rotation angle detection method using the same The purpose is to provide.

前記の目的を達成するために、本発明者らは、超高感度角度センサにおける受光素子上での光スポット径縮小による測定分解能向上効果を維持しつつ、測定可能角度レンジを比較的に増大するために、受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、測定対象の角度変化に伴う光スポットの移動に受光素子が追従するように微少位置制御を行う、角度センサ光学系を構成することに着想した。超高感度角度センサにおいては、光スポットが受光素子の感応帯と非感応帯との境目上にある場合に角度検出感度が最大となる。従って、常に光スポットがこの受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るよう位置決めシステムでフィードバック制御を行い、位置決めシステム内の変位センサで得られた受光素子位置情報をもとに測定対象の角度変化を算出すれば、光スポット径縮小に伴う測定レンジの狭小化およびセンサ出力の非線形性増大といった従来の角度センサにおける課題を解決し、広測定範囲を有する超高感度角度センサを実現することができる。   In order to achieve the above object, the present inventors relatively increase the measurable angle range while maintaining the effect of improving the measurement resolution by reducing the light spot diameter on the light receiving element in the ultrasensitive angle sensor. For this purpose, the idea was to construct an angle sensor optical system that mounts a light receiving element on a precision positioning system and performs minute position control so that the light receiving element follows the movement of the light spot accompanying the change in angle of the measurement target. . In the ultra-high sensitivity angle sensor, the angle detection sensitivity is maximized when the light spot is on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element. Therefore, feedback control is performed by the positioning system so that the light spot is always on the boundary between the sensitive and non-sensitive bands of the light receiving element, and measurement is performed based on the light receiving element position information obtained by the displacement sensor in the positioning system. By calculating the angle change of the target, it solves the problems of conventional angle sensors, such as narrowing of the measurement range accompanying the reduction of the light spot diameter and increase of nonlinearity of the sensor output, and realizes an ultrasensitive angle sensor with a wide measurement range. can do.

すなわち、本発明は、レーザーオートコリメーション法に基づく微小回転角度検出において、測定用受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、対物レンズにより受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るようフィードバック制御し、高精度変位センサで読み取った受光素子変位量をもとに被測定対象の微小回転角度を算出することにより、広角度範囲に渡る高精度な角度検出を実現することを特徴とする。   That is, according to the present invention, in a minute rotation angle detection based on the laser autocollimation method, a light receiving element for measurement is mounted on a precision positioning system, and the center of the light spot condensed on the light receiving element by the objective lens is the sensitive band of the light receiving element. High accuracy over a wide angle range by calculating the minute rotation angle of the measurement target based on the amount of displacement of the light-receiving element read by the high-precision displacement sensor. It is characterized by realizing accurate angle detection.

具体的には、本発明に係る回転角度検出装置は、単波長レーザー光源と、前記単波長レーザー光源から照射された発散レーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメートレンズと、被測定物に搭載され、前記コリメート光束が入射される反射部と、前記反射部から反射された測定光束を集光する対物レンズと、前記対物レンズにより集光された前記測定光束を測定する測定用受光素子と、前記測定用受光素子を搭載し、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージと、角度算出部とを備えており、前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されており、前記位置決めステージは、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記測定用受光素子の位置制御を行い、前記角度算出部は、前記位置決めステージによる前記測定用受光素子の位置制御の情報に基づき、前記被測定物の回転角度を求めるよう構成されている。   Specifically, a rotation angle detection device according to the present invention includes a single wavelength laser light source, a collimating lens that collimates a divergent laser light emitted from the single wavelength laser light source to generate a collimated light beam, and an object to be measured. A reflection unit that is mounted and on which the collimated light beam is incident; an objective lens that collects the measurement light beam reflected from the reflection unit; and a measurement light receiving element that measures the measurement light beam collected by the objective lens; The measuring light-receiving element, and a positioning stage for positioning the measuring light-receiving element, and an angle calculation unit, the measuring light-receiving element at the back focal length position of the objective lens, The center of the light spot obtained by condensing the measurement light beam is arranged so as to be located on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element for measurement. The determination stage performs position control of the light receiving element for measurement so that the center of the light spot continues to be positioned on the boundary when the object to be measured rotates, and the angle calculation unit is configured to perform the position calculation by the positioning stage. The rotation angle of the object to be measured is obtained based on the position control information of the light receiving element for measurement.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記測定用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。   In the rotation angle detection device according to the present invention, the measurement light receiving element may have at least one sensitive band capable of independently outputting a current obtained by photoelectric conversion.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記反射部からの反射光束を前記測定光束と参照光束とに分割するビームスプリッタと、前記参照光束を測定する参照用受光素子とをさらに備え、前記被測定物が微小角度回転しても前記参照光束全体が前記参照用受光素子の感応帯の内側に位置するように構成されていてもよい。この場合、前記参照用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。参照光束全体が参照用受光素子の感応帯の内側に位置するために許容される被測定物の回転角度は、概ね1度以内である。   The rotation angle detection device according to the present invention further includes a beam splitter that divides a reflected light beam from the reflecting portion into the measurement light beam and a reference light beam, and a reference light receiving element that measures the reference light beam, The entire reference light beam may be configured to be located inside the sensitive band of the reference light receiving element even if the object is rotated by a minute angle. In this case, the reference light receiving element may have at least one sensitive band that can independently output a current obtained by photoelectric conversion. The rotation angle of the object to be measured that is allowed because the entire reference light beam is located inside the sensitive band of the reference light receiving element is approximately within 1 degree.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記位置決めステージを駆動制御する駆動部と、前記測定用受光素子で発生した測定用光電流と前記参照用受光素子で発生した参照用光電流とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成する制御部とをさらに備えていてもよい。この場合、前記駆動部は、圧電素子をアクチュエータとして用いていてもよい。また、前記測定用光電流を測定用電圧信号に変換する測定用電流−電圧変換回路と、前記参照用光電流を参照用電圧信号に変換する参照用電流−電圧変換回路とをさらに備え、前記制御部は、前記測定用電圧信号と前記参照用電圧信号とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成してもよい。また、前記角度算出部は、前記被測定物の角度変化に含まれる周波数成分が前記駆動部の制御帯域周波数以上であるとき、前記位置制御の情報と、前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目に対する前記光スポットの中心のずれ量とに基づき、前記被測定物の回転角度を求めてもよい。   In the rotation angle detection device according to the present invention, based on the driving unit that drives and controls the positioning stage, the measurement photocurrent generated in the measurement light receiving element, and the reference photocurrent generated in the reference light receiving element. And a control unit that generates a positioning signal for the driving unit. In this case, the drive unit may use a piezoelectric element as an actuator. And a measurement current-voltage conversion circuit for converting the measurement photocurrent into a measurement voltage signal, and a reference current-voltage conversion circuit for converting the reference photocurrent into a reference voltage signal. The control unit may generate a positioning signal for the driving unit based on the measurement voltage signal and the reference voltage signal. Further, the angle calculation unit is configured to detect the position control information and the sensitivity band of the measurement light receiving element when the frequency component included in the angle change of the object to be measured is equal to or higher than the control band frequency of the drive unit. The rotation angle of the object to be measured may be obtained based on the shift amount of the center of the light spot with respect to the boundary with the sensitive band.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記位置決めステージの位置を測定する変位センサをさらに備え、前記角度算出部は、前記位置制御の情報として、前記変位センサの出力信号を用いて前記被測定物の回転角度を算出してもよい。   The rotation angle detection apparatus according to the present invention further includes a displacement sensor that measures the position of the positioning stage, and the angle calculation unit uses the output signal of the displacement sensor as the position control information. The rotation angle may be calculated.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記対物レンズは、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズであってもよい。このように、収差が補正されたレンズを用いることにより、光スポット径をより一層小さくすることができる。   In the rotation angle detection apparatus according to the present invention, the objective lens may be a microscope objective lens, an aspherical lens, or an achromatic lens. Thus, by using a lens with corrected aberration, the light spot diameter can be further reduced.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記コリメートレンズと前記反射部との間に、前記反射部からの反射光束が前記単波長レーザー光源に戻ることを防止するために、偏光ビームスプリッタ、及び1/4波長板からなる光アイソレータが配置されていてもよい。このようにすると、反射鏡からの反射光束が単波長レーザー光源に戻ることを防止して、単波長レーザー光源からのレーザー光出力を安定化させることができる。   In the rotation angle detection device according to the present invention, in order to prevent a reflected light beam from the reflection unit from returning to the single wavelength laser light source between the collimating lens and the reflection unit, a polarization beam splitter, and 1 An optical isolator made of a / 4 wavelength plate may be arranged. If it does in this way, it can prevent that the reflected light beam from a reflective mirror returns to a single wavelength laser light source, and can stabilize the laser beam output from a single wavelength laser light source.

本発明に係る回転角度検出装置において、前記反射部は、反射鏡又は1軸若しくは2軸のパターンを持つ回折格子であってもよい。   In the rotation angle detection device according to the present invention, the reflecting section may be a reflecting mirror or a diffraction grating having a uniaxial or biaxial pattern.

本発明に係る回転角度検出方法は、単波長レーザー光源から照射した発散レーザー光をコリメートレンズによりコリメートして生成したコリメート光束を、被測定物に搭載された反射部に入射し、前記反射部から反射されてきた測定光束を対物レンズにより集光して測定用受光素子により測定することによって、前記被測定物の回転角度を求める回転角度検出方法であって、前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されていると共に、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージに搭載されており、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記位置決めステージにより前記測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき前記被測定物の回転角度を求める。   In the rotation angle detection method according to the present invention, a collimated light beam generated by collimating a divergent laser beam emitted from a single wavelength laser light source by a collimator lens is incident on a reflection unit mounted on a measurement object, and is reflected from the reflection unit. A method of detecting a rotation angle of the object to be measured by collecting the reflected measurement light beam by an objective lens and measuring the light beam with a measurement light-receiving element. At the rear focal length position of the lens, the center of the light spot obtained by condensing the measurement light beam is disposed on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the measurement light receiving element. Mounted on a positioning stage for positioning the light receiving element for measurement, and when the object to be measured is rotated, the center of the light spot is positioned on the boundary By the positioning stage to continue performs position control of the measuring light receiving element, and determines a rotation angle of the object to be measured based on the information of the position control.

本発明によれば、単波長レーザー光源を測定光として用いた、レーザーオートコリメーション法に基づく微小回転角度検出において、測定用受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、対物レンズにより受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るようフィードバック制御することによって、広角度範囲に渡り高精度な角度検出を実現することができる。原理的には、測定角度レンジは、対物レンズの物理的サイズおよび測定用受光素子を搭載する精密位置決めシステムの移動レンジの限界まで拡大することが可能になる。また、精密位置決めシステムのフィードバック制御に高精度変位センサ出力を用いることによって、いずれの角度位置においても角度センサ出力の非線形性の影響を受けずに0.001角度秒を超える超高感度分解能を得ることができる。このように、本発明によれば、小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置、およびそれを用いた回転角度検出方法を提供することができる。   According to the present invention, in a minute rotation angle detection based on a laser autocollimation method using a single wavelength laser light source as measurement light, the measurement light receiving element is mounted on the precision positioning system and is collected on the light receiving element by the objective lens. By performing feedback control so that the center of the illuminated light spot is on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element, highly accurate angle detection can be realized over a wide angle range. In principle, the measurement angle range can be extended to the limits of the physical size of the objective lens and the movement range of a precision positioning system with a measuring light receiving element. In addition, by using the high-precision displacement sensor output for feedback control of the precision positioning system, an ultra-high sensitivity resolution exceeding 0.001 angular seconds is obtained without being affected by the nonlinearity of the angle sensor output at any angular position. be able to. Thus, according to the present invention, an optical rotation angle detection device that realizes angle detection over a wide angle range while enjoying the benefits of high measurement resolution due to a small spot diameter, and a rotation angle using the same A detection method can be provided.

本発明にかかる第一の実施形態の回転角度検出装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the rotation angle detection apparatus of 1st embodiment concerning this invention. 図1に示す回転角度検出装置の参照用受光素子および測定用受光素子上における参照用集光スポットと測定用集光スポットの位置関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the positional relationship of the reference condensing spot and the measurement condensing spot on the reference light receiving element of the rotation angle detection apparatus shown in FIG. (a)測定用受光素子位置を固定した従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度センサによる測定における受光素子上での測定用集光スポットと測定用受光素子との位置関係を示す説明図、(b)図1に示す回転角度検出装置の角度測定における受光素子上での測定用集光スポットと測定用受光素子との位置関係を示す説明図である。(A) Explanatory drawing which shows the positional relationship of the measurement condensing spot on a light receiving element and the light receiving element for measurement in the measurement by the angle sensor based on the conventional laser autocollimation method which fixed the light receiving element for measurement, (b) FIG. 2 is an explanatory diagram showing a positional relationship between a measurement light-converging spot on a light-receiving element and a measurement light-receiving element in angle measurement of the rotation angle detection device shown in FIG. 1. 図1に示す回転角度検出装置において期待される(a)角度センサ出力及び(b)角度検出感度をそれぞれシミュレーションにより求め、従来の角度センサと比較した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result compared with the conventional angle sensor which calculated | required (a) angle sensor output and (b) angle detection sensitivity which are anticipated in the rotation angle detection apparatus shown in FIG. 1 by simulation, respectively. 図1に示す回転角度検出装置において、測定用受光素子の変位情報と、フィードバック制御の誤差信号とを用いて測定対象の微小回転角度を検出する方法の概略を示す説明図である。In the rotation angle detection apparatus shown in FIG. 1, it is explanatory drawing which shows the outline of the method of detecting the minute rotation angle of a measuring object using the displacement information of the light receiving element for a measurement, and the error signal of feedback control. 本発明にかかる第二の実施形態の回転角度検出装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the rotation angle detection apparatus of 2nd embodiment concerning this invention. 本発明にかかる第三の実施形態の回転角度検出装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the rotation angle detection apparatus of 3rd embodiment concerning this invention.

本発明にかかる第一の実施形態の回転角度検出装置を、図1から図4を用いて説明する。図1は、本発明にかかる第一の実施形態で用いる装置構成の概略図である。なお、ここでは、移動テーブル10、ガイドレール11等からなるリニアスライド12を被測定物として説明する。本光学系は、レーザー光源13と、レーザー光源13から照射される発散光14をコリメートしてコリメート光束15を生成するコリメートレンズ16と、コリメート光束15の進行方向を変更する偏光ビームスプリッタ17と、偏光ビームスプリッタ17で曲げられたコリメート光束15の偏光状態を変える1/4波長板18と、被測定物であるリニアスライド12の移動テーブル10に搭載する反射鏡19と、反射鏡19で反射され1/4波長板18で再度偏光状態を変えられたコリメート光束15を、参照光束20と測定光束21とに分割するビームスプリッタ22と、参照光束20を検出する参照用受光素子23と、参照用受光素子23の非感応帯24に参照光束20の一部が入射しないよう、参照用受光素子23の感応帯25上に参照用集光スポット26を集光する集光レンズ27と、測定光束21を検出する測定用受光素子28と、測定光束21を測定用受光素子28に集光する対物レンズ46と、測定用受光素子28の感応帯29と測定用受光素子28の非感応帯30との境目に測定用集光スポット31の中心が来るよう、測定用受光素子28を載せて精密位置決めする精密位置決めステージ32と、精密位置決めステージ32の位置を検出する精密変位センサ33と、参照用受光素子23からの参照光電流信号34を参照用電圧信号35に変換する参照用電流−電圧変換回路36と、測定用受光素子28からの測定光電流信号37を測定用電圧信号38に変換する測定用電流−電圧変換回路39と、参照用電圧信号35および測定用電圧信号38をもとに精密位置決めステージ32に入力する位置決め制御信号41を生成する制御信号生成部42と、位置決め制御信号41をもとに精密位置決めステージ32を駆動するステージドライバ43と、精密変位センサ33の出力信号40をもとに移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化(θZ)45を算出する、角度算出部51とからなる。なお、本発明では、測定光束21の処理に用いる光学系、電子回路、変位センサ、精密位置決めシステムとそのコントローラを総称してオートコリメーションユニット44と呼ぶ。 A rotation angle detection device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram of a device configuration used in the first embodiment according to the present invention. Here, the linear slide 12 including the moving table 10, the guide rail 11, and the like will be described as an object to be measured. This optical system includes a laser light source 13, a collimating lens 16 that collimates the diverging light 14 emitted from the laser light source 13 to generate a collimated light beam 15, a polarization beam splitter 17 that changes the traveling direction of the collimated light beam 15, A quarter-wave plate 18 that changes the polarization state of the collimated light beam 15 bent by the polarizing beam splitter 17, a reflecting mirror 19 that is mounted on the moving table 10 of the linear slide 12 that is the object to be measured, and the reflecting mirror 19. A beam splitter 22 that splits the collimated light beam 15 whose polarization state has been changed again by the quarter-wave plate 18 into a reference light beam 20 and a measurement light beam 21, a reference light receiving element 23 that detects the reference light beam 20, and a reference light On the sensitive band 25 of the reference light receiving element 23, so that a part of the reference light beam 20 does not enter the non-sensitive band 24 of the light receiving element 23. A condensing lens 27 for condensing the illumination condensing spot 26, a measurement light receiving element 28 for detecting the measurement light beam 21, an objective lens 46 for condensing the measurement light beam 21 on the measurement light receiving element 28, and a measurement light reception A precision positioning stage 32 on which the light receiving element for measurement 28 is placed and precisely positioned so that the center of the light collecting spot 31 for measurement comes to the boundary between the sensitive band 29 of the element 28 and the non-sensitive band 30 of the light receiving element 28 for measurement; A precision displacement sensor 33 for detecting the position of the precision positioning stage 32; a reference current-voltage conversion circuit 36 for converting a reference photocurrent signal 34 from the reference light receiving element 23 into a reference voltage signal 35; and a measurement light receiving element. A measurement current-voltage conversion circuit 39 for converting the measurement photocurrent signal 37 from the measurement signal 28 into a measurement voltage signal 38, and a precise position based on the reference voltage signal 35 and the measurement voltage signal 38. A control signal generator 42 for generating a positioning control signal 41 to be input to the stage 32, a stage driver 43 for driving the precision positioning stage 32 based on the positioning control signal 41, and an output signal 40 of the precision displacement sensor 33. And an angle calculating unit 51 for calculating a posture angle change (θ Z ) 45 about the Z axis of the moving table 10. In the present invention, an optical system, an electronic circuit, a displacement sensor, a precision positioning system and a controller thereof used for processing the measurement light beam 21 are collectively referred to as an autocollimation unit 44.

参照用受光素子23および測定用受光素子28からの出力信号と、移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化(θZ)45との関係を、図2を用いて説明する。図2は、参照用受光素子23および測定用受光素子28上における、参照用集光スポット26および測定用集光スポット31の位置関係を示す模式図である。各光学素子における光量ロス等が無い、理想的な光学系を仮定すると、参照光束20に含まれる全光量と測定光束21に含まれる全光量は同一となる。そのため、測定用受光素子28からの測定光電流信号37が、参照用受光素子23からの参照光電流信号34の50%となるように、参照用電圧信号35と測定用電圧信号38とをもとに制御信号生成部42によって位置決め制御信号41を生成し、精密位置決めステージ32により微少位置制御を行うと、測定用受光素子28は、測定用集光スポット31の中心47が測定用受光素子28の感応帯29と非感応帯30との境目に来るよう常に制御されることになる。 The relationship between the output signals from the reference light receiving element 23 and the measurement light receiving element 28 and the attitude angle change (θ Z ) 45 around the Z axis of the moving table 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing the positional relationship between the reference condensing spot 26 and the measurement condensing spot 31 on the reference light receiving element 23 and the measurement light receiving element 28. Assuming an ideal optical system with no loss of light quantity in each optical element, the total light quantity contained in the reference light beam 20 and the total light quantity contained in the measurement light beam 21 are the same. Therefore, the reference voltage signal 35 and the measurement voltage signal 38 are set so that the measurement photocurrent signal 37 from the measurement light receiving element 28 is 50% of the reference photocurrent signal 34 from the reference light receiving element 23. On the other hand, when the positioning control signal 41 is generated by the control signal generator 42 and the fine position control is performed by the precision positioning stage 32, the measurement light receiving element 28 has the center 47 of the measurement focused spot 31 at the measurement light receiving element 28. Therefore, the control is always performed so that the sensitive band 29 and the non-sensitive band 30 come to the boundary.

第一の実施形態で用いる光学系における移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化θZ 45の検出と、測定用受光素子位置を固定した従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度センサによる測定との差異を、図3を用いて説明する。図3(a)は、測定用受光素子28の位置を固定した、従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度測定における、測定用受光素子28上での測定用集光スポット31と測定用受光素子28との位置関係を示すもので、図3(b)は、本発明での角度測定における、測定用受光素子28上での測定用集光スポット31と測定用受光素子28との位置関係を示すものである。移動テーブル10にZ軸まわり姿勢角変化45が発生すると、オートコリメーションユニット44に入射する測定光束21は、対物レンズ46に対して入射角度2θZを有することになる。このときの測定用受光素子28上における測定用集光スポット31の変位(δ)49は、対物レンズ46の焦点距離(f)50を用いて、以下の式で表される。 Difference between detection of posture angle change θ Z 45 around Z-axis of moving table 10 in the optical system used in the first embodiment and measurement by an angle sensor based on a conventional laser autocollimation method in which the position of a light receiving element for measurement is fixed Will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows the measurement light-converging spot 31 and the measurement light-receiving element 28 on the measurement light-receiving element 28 in the angle measurement based on the conventional laser autocollimation method in which the position of the measurement light-receiving element 28 is fixed. FIG. 3B shows the positional relationship between the measurement light-converging spot 31 on the measurement light-receiving element 28 and the measurement light-receiving element 28 in the angle measurement according to the present invention. Is. When Z-axis attitude angle change 45 to moving table 10 is generated, the measuring light beam 21 incident on the autocollimation unit 44 will have an angle of incidence 2 [Theta] Z to the objective lens 46. The displacement (δ) 49 of the measurement focused spot 31 on the measurement light receiving element 28 at this time is expressed by the following equation using the focal length (f) 50 of the objective lens 46.

Figure 2017133892
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従来の角度センサでは、この測定用集光スポット31の変位49と測定用受光素子28からの測定光電流信号37との関係を、高精度オートコリメータ等を比較対照として用いて予め校正しておき、測定光電流信号37の変化を角度に換算する。測定用集光スポット31の径が小さいほど、測定用集光スポット31の変位49に対する測定光電流信号37の変化、つまり角度測定の感度が高くなり、高い分解能での測定が可能となる。その一方で、この手法では、測定用集光スポット31の変位49が測定用集光スポット31の半径を超えると、角度測定ができない。   In the conventional angle sensor, the relationship between the displacement 49 of the measurement condensing spot 31 and the measurement photocurrent signal 37 from the measurement light receiving element 28 is calibrated in advance using a high-precision autocollimator or the like as a comparison reference. The change in the measurement photocurrent signal 37 is converted into an angle. The smaller the diameter of the measurement condensing spot 31, the higher the change in the measurement photocurrent signal 37 with respect to the displacement 49 of the measurement condensing spot 31, that is, the sensitivity of angle measurement, and measurement with high resolution becomes possible. On the other hand, in this method, if the displacement 49 of the measurement focused spot 31 exceeds the radius of the measured focused spot 31, the angle cannot be measured.

これに対し、本発明で開示の回転角度検出装置においては、図3(b)に示すように、移動テーブル10にZ軸まわり姿勢角変化45が発生した場合、参照光電流信号34、測定光電流信号37をもとに精密位置決めステージ32を用いて測定用受光素子28を微少位置制御し、測定用集光スポット31の中心47が測定用受光素子28の感応帯29と非感応帯30との境目に来るように位置決め制御する。このとき、精密変位センサ33で検出した精密位置決めステージ32の移動量が式(1)中のδに相当するため、精密変位センサ33の出力を用いることで、移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化(θZ)45を求めることができる。この手法では、原理的には対物レンズ46の物理的サイズおよび測定用受光素子28を搭載する精密位置決めステージ32の移動レンジの限界まで測定角度範囲を拡大することが可能である。 On the other hand, in the rotation angle detection device disclosed in the present invention, as shown in FIG. 3B, when the attitude angle change 45 around the Z axis occurs in the moving table 10, the reference photocurrent signal 34, the measurement light Based on the current signal 37, the position of the measurement light receiving element 28 is finely controlled using the precision positioning stage 32, and the center 47 of the measurement light collecting spot 31 is set to the sensitive band 29 and the non-sensitive band 30 of the measurement light receiving element 28. Positioning is controlled so that it is at the boundary of At this time, since the movement amount of the precision positioning stage 32 detected by the precision displacement sensor 33 corresponds to δ in the equation (1), by using the output of the precision displacement sensor 33, the attitude angle around the Z axis of the moving table 10 is obtained. A change (θ Z ) 45 can be obtained. In this method, in principle, the measurement angle range can be expanded to the limit of the physical size of the objective lens 46 and the movement range of the precision positioning stage 32 on which the measurement light receiving element 28 is mounted.

従来の角度センサの角度検出感度および、本発明で開示の回転角度検出装置において期待される角度検出感度を、シミュレーションにより求め比較した。図4に示すのは、移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化45に対する角度センサ出力、および各々の回転角度に対する出力変化量(角度センサ感度)である。シミュレーションにおいては、コリメート光束15の直径を10mm、対物レンズ46の焦点距離を100mmとし、レーザー光源13からの射出レーザー光の波長を685nmとした。なお各々の出力SOUTは、以下の式を用いて算出した。 The angle detection sensitivity of the conventional angle sensor and the angle detection sensitivity expected in the rotation angle detection device disclosed in the present invention were obtained by simulation and compared. FIG. 4 shows the angle sensor output for the attitude angle change 45 around the Z axis of the moving table 10 and the output change amount (angle sensor sensitivity) for each rotation angle. In the simulation, the diameter of the collimated light beam 15 is 10 mm, the focal length of the objective lens 46 is 100 mm, and the wavelength of the laser beam emitted from the laser light source 13 is 685 nm. Each output S OUT was calculated using the following equation.

Figure 2017133892
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式(2)中のIMeasおよびIRefは、それぞれ参照光電流信号34および測定光電流信号37である。コリメート光束15を対物レンズ46で集光すると、測定用受光素子28上においては、測定用集光スポット31はガウス分布様の光強度分布を有するため、図4(a)に示すように、従来の角度センサは、±5角度秒を超える範囲において強い非線形性を有する出力曲線を持つ。一方、本発明で開示の回転角度検出装置においては、常に測定用受光素子28の位置が制御されるため、出力は一定となる。この結果をもとに、変位角度秒あたりのセンサ出力変化量(感度)を求めた結果が、図4(b)である。従来の角度センサにおいては、高い感度が得られるのは±2角度秒程度のごく狭い角度範囲に限られている。その一方で、本発明で開示の回転角度検出装置においては、測定用集光スポット31が常に測定用受光素子28の感応帯29と非感応帯30との境目にあるため、その感度は一定かつ高い水準を保つことができる。 In the equation (2), I Meas and I Ref are the reference photocurrent signal 34 and the measurement photocurrent signal 37, respectively. When the collimated light beam 15 is condensed by the objective lens 46, the measurement light-converging spot 31 has a Gaussian distribution-like light intensity distribution on the measurement light-receiving element 28. Therefore, as shown in FIG. The angle sensor has an output curve having strong nonlinearity in a range exceeding ± 5 angular seconds. On the other hand, in the rotation angle detection device disclosed in the present invention, the position of the measurement light receiving element 28 is always controlled, so the output is constant. FIG. 4B shows the result of obtaining the sensor output change amount (sensitivity) per second displacement angle based on this result. In the conventional angle sensor, high sensitivity can be obtained only in a very narrow angle range of about ± 2 angle seconds. On the other hand, in the rotation angle detection device disclosed in the present invention, since the measurement focused spot 31 is always at the boundary between the sensitive band 29 and the non-sensitive band 30 of the measurement light receiving element 28, the sensitivity is constant and High standards can be maintained.

なお、本発明にかかる第一の実施形態においては、精密位置決めステージ32のフィードバック制御は不完全であっても差し支えない。測定用受光素子28の変位情報と、フィードバック制御の誤差信号とを用いて、測定対象の微小回転角度を検出する手法の概略を図5に示す。本発明で開示の回転角度検出装置において、測定用受光素子28の感応帯29と非感応帯30との境目に対する測定用集光スポット31の中心47のずれ量(e)48と測定光電流信号37との関係を、従来の角度センサと同様に、高精度オートコリメータ等を比較対照として用いて予め校正しておけば、精密位置決めステージ32のフィードバック制御に誤差が生じて、測定用集光スポット31の中心47が測定用受光素子28の感応帯29と非感応帯30との境目からずれた場合にも、そのずれ量48を制御信号生成部42によって生成される位置決め制御信号41から得ることができ、これを精密変位センサ33によって得られた精密位置決めステージ32の変位(Δs)とともに用いて次の式を用いて演算することで、移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化(θZ)45を得ることができる。 In the first embodiment according to the present invention, feedback control of the precision positioning stage 32 may be incomplete. FIG. 5 shows an outline of a technique for detecting the minute rotation angle of the measurement object using the displacement information of the measurement light receiving element 28 and the error signal of the feedback control. In the rotation angle detection device disclosed in the present invention, the deviation (e) 48 of the center 47 of the measurement focused spot 31 with respect to the boundary between the sensitive band 29 and the non-sensitive band 30 of the measurement light receiving element 28 and the measurement photocurrent signal 37, if a high-precision autocollimator or the like is calibrated in advance in the same manner as the conventional angle sensor, an error occurs in the feedback control of the precision positioning stage 32, and the measurement focused spot Even when the center 47 of 31 is shifted from the boundary between the sensitive band 29 and the non-sensitive band 30 of the light receiving element 28 for measurement, the shift amount 48 can be obtained from the positioning control signal 41 generated by the control signal generating unit 42. This is used together with the displacement (Δs) of the precision positioning stage 32 obtained by the precision displacement sensor 33, and is calculated using the following equation to obtain a moving table. Z-axis attitude angle change of 0 (theta Z) 45 can be obtained.

Figure 2017133892
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この手法は、移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化45に含まれる時間周波数成分が、精密位置決めステージ32のフィードバック制御の帯域を超えるような場合に有効であり、精密位置決めステージ32のフィードバック制御に要求される高速追従性に関する条件を緩和することが可能である。   This technique is effective when the time frequency component included in the attitude angle change 45 around the Z-axis of the moving table 10 exceeds the feedback control band of the precision positioning stage 32, and is used for feedback control of the precision positioning stage 32. It is possible to relax the required conditions for high-speed tracking.

本発明にかかる第二の実施形態の回転角度検出装置を、図6を用いて説明する。図6は、本発明にかかる第二の実施形態で用いる装置構成の概略図である。主な構成は、図1に示した第一の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第二の実施形態では、測定光束21をピッチ角測定光束52とヨー角測定光束53とに分割するビームスプリッタ54を用いるとともに、オートコリメーションユニット55を追加している。これにより、移動テーブル10のZ軸まわり姿勢角変化(θZ)45に加え、Y軸まわり姿勢角変化(θ)56の検出が可能となる。 A rotation angle detection device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram of an apparatus configuration used in the second embodiment according to the present invention. The main configuration is the same as the optical system used in the first embodiment shown in FIG. 1, but in the second embodiment, the measurement light beam 21 is divided into a pitch angle measurement light beam 52 and a yaw angle measurement light beam 53. A beam splitter 54 is used, and an autocollimation unit 55 is added. Thereby, in addition to the posture angle change (θ Z ) 45 around the Z axis of the moving table 10, the posture angle change (θ Y ) 56 around the Y axis can be detected.

本発明にかかる第三の実施形態の回転角度検出装置を、図7を用いて説明する。図7は、本発明にかかる第三の実施形態で用いる装置構成の概略図である。主な構成は、図1に示した第一の実施形態、および第二の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第三の実施形態では、反射鏡19にかえて回折格子57を被測定物であるリニアスライド12の移動テーブル10に搭載する。回折格子57は表面にピッチ一定の微細パターン58を有しており、これにレーザー光を入射すると、格子パターンに対し垂直な方向に回折角を有する一次回折光59を発生する。なお、0次回折光は、測定光束21である。第三の実施形態では、この一次回折光59を用いて移動テーブル10のX軸まわり姿勢角変化(θX)60を検出するためのオートコリメーションユニット61を追加している。これにより、移動テーブル10のX、Y、Z3軸まわりの姿勢角変化の一括検出が可能となる。なお、ここで用いる回折格子57は、ピッチ一定の微細パターン58を有すれば良く、そのパターン形状は1軸パターン、2軸パターンのいずれでも構わない。 A rotation angle detection device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic view of a device configuration used in the third embodiment according to the present invention. The main configuration is the same as the optical system used in the first embodiment and the second embodiment shown in FIG. 1, but in the third embodiment, a diffraction grating 57 is used instead of the reflecting mirror 19. It mounts on the moving table 10 of the linear slide 12 which is a measurement object. The diffraction grating 57 has a fine pattern 58 with a constant pitch on the surface. When laser light is incident on the diffraction pattern 57, primary diffraction light 59 having a diffraction angle in a direction perpendicular to the grating pattern is generated. The 0th-order diffracted light is the measurement light beam 21. In the third embodiment, an autocollimation unit 61 is added for detecting a change in attitude angle (θ X ) 60 about the X axis of the moving table 10 using the first-order diffracted light 59. As a result, it is possible to collectively detect the posture angle change of the moving table 10 about the X, Y, and Z3 axes. The diffraction grating 57 used here only needs to have a fine pattern 58 with a constant pitch, and the pattern shape may be either a uniaxial pattern or a biaxial pattern.

なお、上記第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態においては、レーザー光源13から射出されるレーザー光の光量ゆらぎを考慮し、測定用受光素子28からの測定光電流信号37とともに参照用受光素子23からの参照光電流信号34を制御信号生成部42に入力している。レーザー光の光量ゆらぎが無視できるほど小さい場合には、参照信号用の光学部品および回路部品を省き、参照光電流信号34にかわる基準信号を与えることで、装置構成を簡略化しても差し支えない。   In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the measurement photocurrent signal from the measurement light receiving element 28 is taken into consideration in consideration of the light amount fluctuation of the laser light emitted from the laser light source 13. 37 and the reference photocurrent signal 34 from the reference light receiving element 23 are input to the control signal generation unit 42. If the fluctuation in the amount of laser light is so small that it can be ignored, it is possible to simplify the apparatus configuration by omitting the reference signal optical components and circuit components and providing a reference signal in place of the reference photocurrent signal 34.

また、第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態においては、偏光ビームスプリッタ17と1/4波長板18を用い、コリメート光束15が反射鏡19により反射される前に光路を90°曲げているが、反射鏡19による反射後に光路を90°曲げるよう構成を変更しても差し支えない。更に、装置構成をよりコンパクトにするため、精密変位センサ33と精密位置決めステージ32が一体化したものを適用しても差し支えない。   In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the polarization beam splitter 17 and the quarter wavelength plate 18 are used, and the optical path before the collimated light beam 15 is reflected by the reflecting mirror 19. However, the configuration may be changed so that the optical path is bent by 90 ° after reflection by the reflecting mirror 19. Furthermore, in order to make the apparatus configuration more compact, it is possible to apply a device in which the precision displacement sensor 33 and the precision positioning stage 32 are integrated.

また、第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態において、測定用受光素子28及び参照用受光素子23は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。また、ステージドライバ43は、圧電素子をアクチュエータとして用いていてもよい。また、測定用電流−電圧変換回路39や参照用電流−電圧変換回路36を介さずに、測定用受光素子28で発生した測定用光電流と参照用受光素子23で発生した参照用光電流とに基づき制御信号生成部42が位置決め制御信号41を生成してもよい。また、対物レンズ46は、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズなどであってもよい。このような収差が補正されたレンズを用いることにより、光スポット径をより一層小さくすることができる。   In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the measurement light-receiving element 28 and the reference light-receiving element 23 can at least output a current obtained by photoelectric conversion at least. It may have one or more sensitive bands. The stage driver 43 may use a piezoelectric element as an actuator. In addition, the measurement photocurrent generated in the measurement light receiving element 28 and the reference photocurrent generated in the reference light receiving element 23 without using the measurement current-voltage conversion circuit 39 and the reference current-voltage conversion circuit 36 The control signal generator 42 may generate the positioning control signal 41 based on the above. The objective lens 46 may be a microscope objective lens, an aspherical lens, an achromatic lens, or the like. By using a lens in which such aberration is corrected, the light spot diameter can be further reduced.

本発明によれば、従来は装置内で固定されていた測定用受光素子を精密位置決めシステムに搭載して可動とし、測定用受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るよう常にフィードバックすることで、広角度範囲に渡り高分解能・高精度な角度検出を実現することができる。更に、高精度変位センサ出力と、測定用受光素子のフィードバック制御誤差とを活用することで、測定用受光素子を搭載する精密位置決め装置の制御帯域を超える高周波数成分を含む角度変化についても、その測定が可能である。これらの特徴は、精密機械産業における超精密・高速感度測定に対する要求を満たすもので、その産業上の利用可能性は高い。   According to the present invention, a light receiving element for measurement that has been conventionally fixed in the apparatus is mounted on a precision positioning system to be movable, and the center of the light spot condensed on the light receiving element for measurement is not in contact with the sensitive band of the light receiving element. By always feeding back so as to be on the boundary with the sensitive band, it is possible to realize angle detection with high resolution and high accuracy over a wide angle range. Furthermore, by utilizing the high-precision displacement sensor output and the feedback control error of the light receiving element for measurement, the angle change including high frequency components exceeding the control band of the precision positioning device equipped with the light receiving element for measurement Measurement is possible. These features satisfy the demand for ultra-precision and high-speed sensitivity measurement in the precision machinery industry, and its industrial applicability is high.

10 移動テーブル
11 ガイドレール
12 リニアスライド
13 レーザー光源
14 発散光
15 コリメート光束
16 コリメートレンズ
17 偏光ビームスプリッタ
18 1/4波長板
19 反射鏡
20 参照光束
21 測定光束
22 ビームスプリッタ
23 参照用受光素子
24 参照用受光素子の非感応帯
25 参照用受光素子の感応帯
26 参照用集光スポット
27 集光レンズ
28 測定用受光素子
29 測定用受光素子の感応帯
30 測定用受光素子の非感応帯
31 測定用集光スポット
32 精密位置決めステージ
33 精密変位センサ
34 参照光電流信号
35 参照用電圧信号
36 参照用電流-電圧変換回路
37 測定光電流信号
38 測定用電圧信号
39 測定用電流−電圧変換回路
40 精密変位センサの出力信号
41 位置決め制御信号
42 制御信号生成部
43 ステージドライバ
44 オートコリメーションユニット
45 Z軸まわり姿勢角変化(θZ
46 対物レンズ
47 測定用集光スポット中心
48 測定用集光スポット中心のずれ量(e)
49 測定用集光スポットの変位(δ)
50 対物レンズの焦点距離(f)
51 角度算出部
52 ピッチ角測定光束
53 ヨー角測定光束
54 ビームスプリッタ
55 オートコリメーションユニット
56 Y軸まわり姿勢角変化(θ
57 回折格子
58 ピッチ一定の微細パターン
59 一次回折光
60 X軸まわり姿勢角変化(θX
61 オートコリメーションユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Moving table 11 Guide rail 12 Linear slide 13 Laser light source 14 Diverging light 15 Collimated light beam 16 Collimating lens 17 Polarizing beam splitter 18 1/4 wavelength plate 19 Reflector 20 Reference light beam 21 Measuring light beam 22 Beam splitter 23 Reference light receiving element 24 Reference Non-sensitive band of light receiving element for reference 25 Sensitive band of light receiving element for reference 26 Condensing spot for reference 27 Condensing lens 28 Light receiving element for measurement 29 Sensitive band of light receiving element for measurement 30 Non-sensitive band of light receiving element for measurement 31 For measurement Focusing spot 32 Precision positioning stage 33 Precision displacement sensor 34 Reference photocurrent signal 35 Reference voltage signal 36 Reference current-voltage conversion circuit 37 Measurement photocurrent signal 38 Measurement voltage signal 39 Measurement current-voltage conversion circuit 40 Precision displacement Sensor output signal 41 Positioning control signal No. 42 Control signal generator 43 Stage driver 44 Auto collimation unit 45 Change in posture angle around Z axis (θ Z )
46 Objective lens 47 Center of focused spot for measurement 48 Deviation of center of focused spot for measurement (e)
49 Displacement of focused spot for measurement (δ)
50 Focal length of objective lens (f)
51 Angle Calculation Unit 52 Pitch Angle Measurement Light Beam 53 Yaw Angle Measurement Light Beam 54 Beam Splitter 55 Auto Collimation Unit 56 Change in Posture Angle around Y-axis (θ Y )
57 Diffraction grating 58 Fine pitch pattern with constant pitch 59 First-order diffracted light 60 Change in attitude angle around X axis (θ X )
61 Autocollimation unit

Claims (13)

単波長レーザー光源と、
前記単波長レーザー光源から照射された発散レーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメートレンズと、
被測定物に搭載され、前記コリメート光束が入射される反射部と、
前記反射部から反射された測定光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズにより集光された前記測定光束を測定する測定用受光素子と、
前記測定用受光素子を搭載し、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージと、
角度算出部とを備えており、
前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されており、
前記位置決めステージは、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記測定用受光素子の位置制御を行い、
前記角度算出部は、前記位置決めステージによる前記測定用受光素子の位置制御の情報に基づき、前記被測定物の回転角度を求めるよう構成されていることを
特徴とする回転角度検出装置。
A single wavelength laser light source;
A collimating lens for generating a collimated light beam by collimating the divergent laser light emitted from the single wavelength laser light source;
A reflection unit mounted on the object to be measured and on which the collimated light beam is incident;
An objective lens for condensing the measurement light beam reflected from the reflection unit;
A light receiving element for measurement that measures the measurement light beam collected by the objective lens;
A positioning stage mounted with the light receiving element for measurement and positioning the light receiving element for measurement;
An angle calculation unit,
The measurement light-receiving element has a center of a light spot obtained by condensing the measurement light beam at a rear focal length position of the objective lens on a boundary between a sensitive band and a non-sensitive band of the measurement light-receiving element. Arranged to be located,
The positioning stage performs position control of the light receiving element for measurement so that the center of the light spot continues to be positioned on the boundary when the object to be measured rotates,
The rotation angle detecting device, wherein the angle calculation unit is configured to obtain a rotation angle of the object to be measured based on information on position control of the light receiving element for measurement by the positioning stage.
前記測定用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有することを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the measurement light receiving element has at least one sensitive band capable of independently outputting a current obtained by photoelectric conversion. 前記反射部からの反射光束を前記測定光束と参照光束とに分割するビームスプリッタと、
前記参照光束を測定する参照用受光素子とをさらに備え、
前記被測定物が微小角度回転しても前記参照光束全体が前記参照用受光素子の感応帯の内側に位置するように構成されていることを
特徴とする請求項1又は2に記載の回転角度検出装置。
A beam splitter that divides the reflected light beam from the reflecting portion into the measurement light beam and the reference light beam;
A reference light receiving element for measuring the reference light flux;
3. The rotation angle according to claim 1, wherein the entire reference light beam is located inside a sensitive band of the reference light receiving element even if the object to be measured is rotated by a small angle. Detection device.
前記参照用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有することを特徴とする請求項4に記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 4, wherein the reference light receiving element has at least one sensitive band capable of independently outputting a current obtained by photoelectric conversion. 前記位置決めステージを駆動制御する駆動部と、
前記測定用受光素子で発生した測定用光電流と前記参照用受光素子で発生した参照用光電流とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成する制御部とをさらに備えていることを
特徴とする請求項3又は4に記載の回転角度検出装置。
A drive unit that drives and controls the positioning stage;
And a control unit that generates a positioning signal for the driving unit based on the measurement photocurrent generated in the measurement light-receiving element and the reference photocurrent generated in the reference light-receiving element. The rotation angle detection device according to claim 3 or 4.
前記駆動部は、圧電素子をアクチュエータとして用いていることを特徴とする請求項5に記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 5, wherein the driving unit uses a piezoelectric element as an actuator. 前記測定用光電流を測定用電圧信号に変換する測定用電流−電圧変換回路と、
前記参照用光電流を参照用電圧信号に変換する参照用電流−電圧変換回路とをさらに備え、
前記制御部は、前記測定用電圧信号と前記参照用電圧信号とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成することを
特徴とする請求項5又は6に記載の回転角度検出装置。
A measurement current-voltage conversion circuit for converting the measurement photocurrent into a measurement voltage signal;
A reference current-voltage conversion circuit for converting the reference photocurrent into a reference voltage signal;
The rotation angle detection device according to claim 5 or 6, wherein the control unit generates a positioning signal for the driving unit based on the measurement voltage signal and the reference voltage signal.
前記角度算出部は、前記被測定物の角度変化に含まれる周波数成分が前記駆動部の制御帯域周波数以上であるとき、前記位置制御の情報と、前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目に対する前記光スポットの中心のずれ量とに基づき、前記被測定物の回転角度を求めることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。   When the frequency component included in the change in the angle of the object to be measured is equal to or higher than the control band frequency of the drive unit, the angle calculation unit includes the position control information, the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element for measurement. The rotation angle detection device according to claim 5, wherein a rotation angle of the object to be measured is obtained based on a deviation amount of the center of the light spot with respect to a boundary between the measurement object and the object. 前記位置決めステージの位置を測定する変位センサをさらに備え、
前記角度算出部は、前記位置制御の情報として、前記変位センサの出力信号を用いて前記被測定物の回転角度を算出することを
特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
A displacement sensor for measuring the position of the positioning stage;
The said angle calculation part calculates the rotation angle of the said to-be-measured object using the output signal of the said displacement sensor as the information of the said position control, The any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. Rotation angle detection device.
前記対物レンズは、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the objective lens is a microscope objective lens, an aspherical lens, or an achromatic lens. 前記コリメートレンズと前記反射部との間に、前記反射部からの反射光束が前記単波長レーザー光源に戻ることを防止するために、偏光ビームスプリッタ、及び1/4波長板からなる光アイソレータが配置されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。   Between the collimating lens and the reflecting portion, a polarizing beam splitter and an optical isolator comprising a quarter wavelength plate are arranged to prevent the reflected light beam from the reflecting portion from returning to the single wavelength laser light source. The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the rotation angle detection device is a rotation angle detection device. 前記反射部は、反射鏡又は1軸若しくは2軸のパターンを持つ回折格子であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the reflection unit is a reflection mirror or a diffraction grating having a uniaxial or biaxial pattern. 単波長レーザー光源から照射した発散レーザー光をコリメートレンズによりコリメートして生成したコリメート光束を、被測定物に搭載された反射部に入射し、前記反射部から反射されてきた測定光束を対物レンズにより集光して測定用受光素子により測定することによって、前記被測定物の回転角度を求める回転角度検出方法であって、
前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されていると共に、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージに搭載されており、
前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記位置決めステージにより前記測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき前記被測定物の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出方法。


A collimated light beam generated by collimating a divergent laser beam emitted from a single wavelength laser light source with a collimating lens is incident on a reflecting portion mounted on the object to be measured, and the measuring light beam reflected from the reflecting portion is reflected by an objective lens. A rotation angle detection method for obtaining a rotation angle of the object to be measured by condensing and measuring with a light receiving element for measurement,
The measurement light-receiving element has a center of a light spot obtained by condensing the measurement light beam at a rear focal length position of the objective lens on a boundary between a sensitive band and a non-sensitive band of the measurement light-receiving element. And is mounted on a positioning stage for positioning the light receiving element for measurement,
When the object to be measured rotates, the position of the light receiving element for measurement is controlled by the positioning stage so that the center of the light spot continues to be positioned on the boundary, and the object to be measured is based on the information on the position control. A rotation angle detection method characterized in that a rotation angle is obtained.


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