JP2018040620A - 変位計測装置及び変位計測方法 - Google Patents

変位計測装置及び変位計測方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2018040620A
JP2018040620A JP2016173586A JP2016173586A JP2018040620A JP 2018040620 A JP2018040620 A JP 2018040620A JP 2016173586 A JP2016173586 A JP 2016173586A JP 2016173586 A JP2016173586 A JP 2016173586A JP 2018040620 A JP2018040620 A JP 2018040620A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diffraction grating
light
displacement measuring
grating
grating pattern
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016173586A
Other languages
English (en)
Inventor
勝弘 小山
Katsuhiro Koyama
勝弘 小山
冬樹 宮澤
Fuyuki Miyazawa
冬樹 宮澤
康仁 萩原
Yasuhito Hagiwara
康仁 萩原
貴樹 浜本
Takaki Hamamoto
貴樹 浜本
松田　勲
Isao Matsuda
勲 松田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyo Yuden Co Ltd
Original Assignee
Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyo Yuden Co Ltd filed Critical Taiyo Yuden Co Ltd
Priority to JP2016173586A priority Critical patent/JP2018040620A/ja
Priority to US15/692,374 priority patent/US20180066966A1/en
Priority to DE102017008368.1A priority patent/DE102017008368A1/de
Publication of JP2018040620A publication Critical patent/JP2018040620A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G02B27/4277—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path being separated by an air space
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G02B5/1819—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

【課題】検出精度の向上とマージンの拡大を共に実現することが可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る変位計測装置は、第１回折格子と、第２回折格子と、光検出器とを具備する。第１回折格子は、光源からの光が入射する第１回折格子であって、それぞれが所定の回折格子パターンを有する複数の格子パターン領域を備え、複数の格子パターン領域は格子ピッチが互いに同一である。第２回折格子は、第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する。光検出器は、第２回折格子から出射された干渉光が入射する光検出器であって、複数の光検出素子を備え、複数の光検出素子は、干渉光によって生じる干渉縞が延伸する方向に沿って配列する。【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉を利用する変位計測装置及び変位計測方法に関する。
微小な変位を検出する変位計測センサとしては、半導体の圧電原料を利用したストレインゲージ等が一般的に用いられているが、ストレインゲージの分解能は数μｍが限界である。１μｍ以下の分解能の変位計測センサとしては、光干渉を利用した光学干渉計がある（例えば、特許文献１−６）。
特開２００２−０４８６０２号公報 特開平１１−１０８６９７号公報 特開平０７−３１８３７２号公報 特開平０８−０４３１３７号公報 特開２０００−１４６７０５号公報 特開平０６−３００５２０号公報
光学干渉計においてもさらなる検出精度（例えば±５ｎｍ水準）が求められている。一方で高い検出精度を実現するためには、回折格子やフォトダイオードといった光学要素間のマージンが小さくする必要があり、光学干渉計の使用上あるいは作製上においてマージンの拡大が求められている。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、検出精度の向上とマージンの拡大を共に実現することが可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る変位計測装置は、第１回折格子と、第２回折格子と、光検出器とを具備する。
上記第１回折格子は、光源からの光が入射する第１回折格子であって、それぞれが所定の回折格子パターンを有する複数の格子パターン領域を備え、上記複数の格子パターン領域は格子ピッチが互いに同一である。
上記第２回折格子は、上記第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する。
上記光検出器は、上記第２回折格子から出射された干渉光が入射する光検出器であって、複数の光検出素子を備え、上記複数の光検出素子は、上記干渉光によって生じる干渉縞が延伸する方向に沿って配列する。
この構成によれば、複数の光検出素子が干渉縞の延伸方向に沿って配列しているため、第１回折格子が備える複数の格子パターン領域で光に与えられた位相シフト量がＺチルト（第１回折格子と第２回折格子の光軸に対する傾き）による影響を受けにくくなり、Ｚチルトマージンが向上する。
上記複数の光検出素子は、上記干渉縞が延伸する方向に沿って、上記干渉縞が延伸する方向に沿う光検出素子の幅と同一の間隔を空けて互いに離間していてもよい。
この構成によれば、複数の光検出素子の間隔が大きいため、デフォーカス（第１回折格子と第２回折格子の光軸方向に対する位置ずれ）が生じた場合でも、第１回折格子が備える複数の格子パターン領域で光に与えられた位相シフト量を有する光が他の光検出素子に到達することが防止され、デフォーカスマージンが向上する。
上記複数の格子パターン領域は、第１格子パターン領域、第２格子パターン領域及び第３格子パターン領域を含み、上記第２格子パターン領域は、上記第１格子パターン領域の回折格子パターンに対して９０°の位相シフトを生じさせる回折格子パターンを有し、上記第３格子パターン領域は、上記第１格子パターン領域の回折格子パターン対して１８０°の位相シフトを生じさせる回折格子パターンを有してもよい。
この構成によれば、第１格子パターン領域と第３格子パターン領域で１８０°の位相シフトが与えられるため、両領域を通過した光の波形を足し合わせることにより、光源に起因する光の変動を抽出し、除外することが可能となる。
上記複数の光検出素子は第１光検出素子、第２光検出素子及び第３光検出素子を含み、上記第１光検出素子は上記第１格子パターン領域から出射された光を受光し、上記第２光検出素子は上記第２格子パターン領域から出射された光を受光し、上記第３光検出素子は上記第３格子パターン領域から出射された光を受光してもよい。
この構成によれば、第１回折格子によって位相シフトが与えられた干渉光をそれぞれの光検出素子が受光し、それぞれの光検出素子の出力に基づいて第１回折格子に対する第２回折格子の変位量を算出することが可能となる。
上記変位計測装置は、対向する平行な一対の反射面を有し、上記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、上記一対の反射面でそれぞれ反射させて上記第２回折格子に導くように構成された光学手段をさらに具備してもよい。
上記変位計測装置は、上記複数の光検出素子の出力に基づいて、上記第１回折格子に対する上記第２回折格子の変位を算出する演算処理回路をさらに具備してもよい。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る変位計測方法は、光源からの光が入射する第１回折格子であって、それぞれが所定の回折格子パターンを有する複数の格子パターン領域を備え、上記複数の格子パターン領域は格子ピッチが互いに同一である第１回折格子と、上記第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、上記第２回折格子から出射された干渉光が入射する光検出器であって、複数の光検出素子を備え、上記複数の光検出素子は、上記干渉光によって生じる干渉縞が延伸する方向に沿って配列する光検出器とを備える変位計測装置を準備し、上記複数の光検出素子の出力に基づいて、上記第１回折格子に対する上記第２回折格子の変位を算出する。
以上のように、本発明によれば検出精度の向上とマージンの拡大を共に実現することが可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る変位計測装置の斜視図である。 同変位計測装置の平面図である。 同変位計測装置が備える第１回折格子の平面図である。 同変位計測装置が備える第１回折格子に設けられた格子線の模式図である。 同変位計測装置が備える第２回折格子の平面図である。 同変位計測装置が備えるＰＤＩＣの平面図である。 同変位計測装置が備える第１回折格子に入射する光を示す模式図である。 同変位計測装置が備えるＰＤＩＣに入射する光を示す模式図である。 同変位計測装置が備えるＰＤＩＣに入射する光の干渉縞を示す模式図である。 同変位計測装置が備えるＰＤＩＣの各光検出素子の出力を示すグラフである。 同変位計測装置が備えるＰＤＩＣの各光検出素子の出力から算出された波形を示すグラフである。 比較例に係る変位計測装置が備える第１回折格子の平面図である。 同変位計測装置によって計測される、Ｚチルトと検出誤差の関係を示すグラフである。 同変位計測装置において±２ｎｍの検出精度を得るために必要な条件を示す表である。 本発明の実施形態に係る変位計測装置が備えるＰＤＩＣにおける、デフォーカスの影響を示す模式図である。 同変位計測装置によって測定されるデフォーカスとリサージュ誤差の関係を示すグラフである。 同変位計測装置において±２ｎｍの検出精度を得るために必要な条件を示す表である。 同変位計測装置が備えるＰＣＩＤにおけるＰＤの間隔を示す模式図である。 同変位計測装置が備える第１回折格子とＰＣＩＤにおけるＰＤの位置関係を示す模式図である。 同変位計測装置によって測定されるデフォーカスとリサージュ誤差の関係を示すグラフである。 同変位計測装置において±２ｎｍの検出精度を得るために必要な条件を示す表である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
［変位計測装置の全体構成について］
図１は、本発明の実施形態に係る変位計測装置１００を示す斜視図である。図２は、図１においてＸ方向から見た変位計測装置１００を示す。変位計測装置１００は、光源１２、光学ユニット５０、およびＰＤＩＣ（光検出器：Photo Detector Integrated Circuit）４０を備える。図２では、一部の構成の図示をは省略されている。
光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。光源１２は、例えば４００ｎｍ〜９００ｎｍで設定される中心波長を持つレーザ光を発生する発光素子であるが、このような構成に限られない。
光学ユニット５０は、例えば、コリメートレンズ１４、アパーチャ部材１６、第１回折格子２１、プリズムミラー３５、光学部材３０、第２回折格子２２及びコリメートレンズ１８を備える。光学部材３０は、「光学手段」の一部または全部を構成する。
コリメートレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光にする。少なくともこれら光源１２およびコリメートレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。アパーチャ部材１６は、コリメートレンズ１４から出射された光のビーム径を所定のビーム径に絞る機能を有する。コリメートレンズ１４やアパーチャ部材１６は、原理的には無くてもよい。
第１回折格子２１および第２回折格子２２は、共に、同じピッチＰ（図２参照）で同じ向きに形成された複数の格子線（格子溝）２１ａ、２２ａを有する。なお、格子線２１ａ、２２ａの詳細については後述する。第１回折格子２１および第２回折格子２２は、格子線２１ａ、２２ａの配列方向（図ではＹ方向）に相対的に変位することが可能に構成されている。この変位計測装置１００は、その相対変位を計測する。
第１回折格子２１は透過型の回折格子である。第１回折格子２１は、アパーチャ部材１６から出射された光が入射すると回折光を出射する。この回折光には、複数の次数の回折光、つまり±１次、±２次、・・・±ｎ（ｎは自然数）次の各回折光が含まれる。また、この回折光には、第１回折格子２１を直進して透過した０次回折光（以下、０次光と言う。）２６も含まれる。
説明の便宜上、図２を参照してＺ軸に沿う線であって、第１回折格子２１および第２回折格子２２の中心を通る軸線に対して、図中右側に発生する回折光を正（＋）の回折光とし、左側に発生する回折光を負（−）の回折光とする。
光学部材３０は、第１回折格子２１から出射された各次数の回折光のうち、特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光２３を反射して、第２回折格子２２に導くように構成されている。±ｍ次回折光２３は、典型的には±１次回折光であるが、例えば±２次、またはそれ以降の他の回折光であってもよい。
光学部材３０は、例えば直方体形状の導光部材３１と、これに接続されたプリズムミラー３５とを有する。すなわち、導光部材３１とプリズムミラー３５とは一体で設けられている。
プリズムミラー３５は、例えば導光部材３１のＺ方向の一側面に取り付けられている。プリズムミラー３５は、図１に示すように透明部材の内部にＺ軸に対して例えば４５°に配置されたミラー部３５ａを有し、後述する第２回折格子２２の反射光をコリメートレンズ１８に向けて直角に反射する。また、プリズムミラー３５は、第１回折格子２１から出射された０次光２６を第２回折格子２２へ導かないように、コリメートレンズ１８とは異なる方向、例えばコリメートレンズ１８とは反対方向へ反射する。
導光部材３１のＹ方向の両側面は、対向する平行な一対の反射面３３、３３として設けられている。この一対の反射面３３、３３に、第１回折格子２１で生成された＋ｍ次回折光２３Ａおよび−ｍ次回折光２３Ｂがそれぞれ入射し、一対の反射面３３、３３はそれらの回折光を第２回折格子２２に導く。
一対の反射面３３、３３は、第１回折格子２１からの±ｍ次回折光２３を全反射してもよいし、部分反射してもよい。全反射するか否かは、光の波長、回折格子の構造、各光学部品の配置設計などによる。あるいは、一対の反射面３３、３３には、例えば金属膜で構成される反射膜がそれぞれ形成されていてもよい。
導光部材３１の透明材本体が無く、一対の反射面は物理的に独立した２つのミラーであってもよい。しかし、導光部材３１の両側面が一対の反射面３３、３３として利用され、つまり導光部材３１と一対の反射面３３、３３とが一体で設けられることにより、この一対の反射面３３、３３を含む導光部材３１の製造が容易になる。また、一対の反射面３３、３３の相対的な位置決めが容易になる。
これと同様に、導光部材３１とプリズムミラー３５とは別体であってもよいが、これらが一体で設けられることにより、光学部材３０の製造が容易になり、また、導光部材３１およびプリズムミラー３５の相対的な位置決めが容易になる。
導光部材３１を構成する材料は、例えば石英ガラスである。しかし、他のガラスや、ガラス以外の透明材料であってもよい。例えば樹脂材料からなる透明材料を利用することもできる。反射面３３、３３の面精度は、光源１２が出射する光の中心波長をλ（例えばλ＝６３３ｎｍ）とすると、λ／４以下とされることが好ましい。これら反射面３３、３３の面精度が低い場合、所望の形態の干渉光２７（後述）を得ることができず、計測精度が低下するおそれがある。
また、反射面３３、３３の平行度（角度）は、１分以下とされ、好ましくは３０秒以下とされる。反射面３３、３３の平行度も、所望の形態の干渉光２７を得るための重要な要素である。
導光部材３１の反射面３３、３３の、第１回折格子２１および第２回折格子２２が配列される方向（Ｚ方向）の幅は例えば５ｍｍ〜１０ｍｍ、同方向に直交する方向（Ｘ方向）の幅は例えば２ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。これらの寸法公差は±０．１ｍｍとされる。この場合、第１回折格子２１および第２回折格子２２の格子線のピッチは、１μｍ〜５μｍとされ、好ましくは１．５μｍ、より好ましくは２μｍとされる。Ｚ方向の幅は、光の波長、回折格子の構造、各光学部品の配置設計などによって設定される。
第２回折格子２２は反射型の回折格子である。第２回折格子２２は、光学部材３０から出射された±ｍ次回折光２３が入射すると干渉光２７を出射する。具体的には、図２に示すように、＋ｍ次回折光２３Ａが第２回折格子２２に入射することにより±ｐ次回折光（ｐはｍを含む自然数）が生成される。−ｍ次回折光２３Ｂも第２回折格子２２に入射することにより±ｐ次回折光が生成される。
なお、反射型の第２回折格子２２は、主材料が透明材料で構成される回折格子の格子パターン領域の表面に金属膜が形成されるように構成されていてもよいし、または、主材料が金属で構成されていてもよい。
図２では、第２回折格子２２から出射する０次光以外の回折光としての±ｐ次回折光のうち−ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）のみを示している。この「ｍ'」は、一対の反射面３３、３３で反射された回折光の次数である「ｍ」と同じ次数を意味する。説明をわかり易くするため、第１回折格子２１から出射する回折光の次数に対して、第２回折格子２２から出射する回折光の次数に「'」に形式的に付しているが、これらの次数は同じである。
具体的には、第１回折格子２１からの＋ｍ次回折光２３Ａが、第２回折格子２２に入射すると＋ｍ'次回折光２５Ａが生成される。また、第１回折格子２１からの−ｍ次回折光２３Ｂが、第２回折格子２２に入射すると−ｍ'次回折光２５Ｂが生成される。＋ｍ'次回折光２５Ａと−ｍ'次回折光２５Ｂとは、同じ光路（例えばＺ方向）で生成される。言い換えると、導光部材３１の一対の平行な反射面３３、３３によって第１回折格子２１からの±ｍ次回折光２３がそれぞれ反射されることにより、第２回折格子２２では±ｍ'次回折光２５がＺ方向に沿って生成される。
典型的には、±ｍ次回折光２３が上記したように±１次回折光である場合、±ｍ'次回折光２５も±１次回折光である。これら＋ｍ'次回折光２５Ａ及び−ｍ'次回折光２５Ｂが干渉することで、干渉光２７が生成される。
第２回折格子２２から出射された干渉光２７は、プリズムミラー３５に入射し、コリメートレンズ１８に向けて反射される。コリメートレンズ１８は、プリズムミラー３５から入射した干渉光をＰＤＩＣ４０に集光する。
ＰＤＩＣ４０は、第２回折格子２２から出射された干渉光２７を検出する。ＰＤＩＣ４０の詳細については後述するが、第１回折格子２１および第２回折格子２２が相対的にＹ方向に移動するとき、ＰＤＩＣ４０は、格子線２１ａ（２２ａ）のピッチごとに、明暗のセットを１周期とする周期性の光量（光強度に対応）を得る。その周期性を持つ波形は、典型的にはサインカーブとなる。ＰＤＩＣ４０は、例えばその波形を持つ電圧信号を出力し、図示しない回路（演算部）に出力する。
図示しない回路は、例えばＡＤ変換器及び演算処理回路を備える。演算処理回路は、上記電圧信号に応じた変位を出力するように構成される。ＡＤ変換器及び演算処理回路は、ＰＤＩＣ４０に一体に設けられていてもよい。
以上のように、本実施形態に係る光学ユニット５０を備えた変位計測装置１００では、導光部材３１に設けられた対向する平行な一対の反射面３３、３３により特定次数の回折光であるｍ次回折光がそれぞれ反射させられ、第２回折格子２２に導かれる。また、プリズムミラー３５により０次光２６がＰＤＩＣ４０に到達することが防止されている。即ち、実質的に±ｍ次回折光２３のみが第２回折格子２２に入射し、０次光２６を含む他の次数の回折光である変位計測に不要な光が機械的に遮断される。したがって、不要な光がＰＤＩＣ４０に入射することによるノイズの発生を実質的に無くすことができ、変位の計測精度を高めることができる。
［第１回折格子及び第２回折格子について］
第１回折格子２１及び第２回折格子２２の詳細について説明する。
図３は、第１回折格子２１の平面図である。同図に示すように第１回折格子２１には、Ｙ方向に配列された３つの格子パターン領域２１１、２１２、２１３が設けられている。各格子パターン領域にはＸ方向に延伸する複数の格子線２１ａが設けられている。以下、格子パターン領域２１１に設けられている格子線２１ａを格子線２１ａ１とし、格子パターン領域２１２に設けられている格子線２１ａを格子線２１ａ２、格子パターン領域２１３に設けられている格子線２１ａを格子線２１ａ３とする。
各格子パターン領域に設けられた格子線２１ａのピッチＰ（図２参照）はそれぞれ同一である。ここでピッチが同一であるとは各ピッチが±２％以下の誤差を含むことを意味する。なお、格子線２１ａの数は特に限定されず、実際にはより多数である。
格子パターン領域２１１、２１２、２１３のそれぞれに設けられた格子線２１ａは、格子線２１ａの配列方向（Ｙ方向）に１ピッチより小さい所定距離だけシフトされるように構成されている。
図４は、各格子パターン領域の格子線２１ａが第１回折格子２１の全体にわたって形成されていると仮定した場合の格子線２１ａのピッチを示す模式図である。同図に示すように、格子線２１ａ１、格子線２１ａ２及び格子線２１ａ３は１ピッチの１／３ずつシフトされている。
図５は、第２回折格子２２の平面図である。同図に示すように第２回折格子２２には、Ｘ方向に延伸する複数の格子線２２ａが設けられている。なお、格子線２２ａの数は特に限定されず、実際にはより多数である。
［ＰＤＩＣについて］
ＰＤＩＣ４０の詳細について説明する。図６は、ＰＤＩＣ４０の受光面を示す模式図である。同図に示すように、ＰＤＩＣ４０の受光面には、互いに離間した３つのＰＤ（光検出素子：Photo Detector）４１、４２、４３が設けられている。ＰＤ４１、４２、４３は、光が入射すると、光電変換によって電気信号を出力する素子である。ＰＤ４１、４２、４３は互いに離間し、Ｙ方向に配列する。
［変位量算出の詳細について］
図７は、アパーチャ部材１６から第１回折格子２１に入射する光を示す模式図である。同図に示すように入射光Ｌは、第１回折格子２１において格子パターン領域２１１、２１２、２１３のそれぞれを含む範囲に入射する。
第１回折格子２１を透過した回折光は、上述のように導光部材３１を介して第２回折格子２２に入射して干渉光となり、プリズムミラー３５及びコリメートレンズ１８を介してＰＤＩＣ４０に入射する。上述のように、変位計測装置１００では導光部材３１及びプリズムミラー３５によって±ｍ次回折光２３以外の回折光がＰＤＩＣ４０に到達することが防止されている。
図８は、ＰＤＩＣ４０に入射した干渉光を示す模式図である。同図に示すように、ＰＤＩＣ４０に入射した干渉光は、第１領域Ｍ１、第２領域Ｍ２及び第３領域Ｍ３の３つの領域に分割されている。
第１領域Ｍ１は、第１回折格子２１の格子パターン領域２１１を透過した光が到達した領域であり、第２領域Ｍ２は第１回折格子２１の格子パターン領域２１２を透過した光が到達した領域である。第３領域Ｍ３は、第１回折格子２１の格子パターン領域２１３を透過した光が到達した領域である。
図８に示すように、ＰＤ４１は第１領域Ｍ１に含まれ、ＰＤ４２は第２領域Ｍ２に、ＰＤ４３は第３領域Ｍ３に含まれるように配置されている。
ここで、ＰＤＩＣ４０への入射光は、第１回折格子２１及び第２回折格子２２による回折によって干渉縞を生じる。図９は、ＰＤＩＣ４０の光入射面と干渉縞を示す模式図であり、干渉縞の明暗のうち暗部を斜線によって示す。同図に示すように、干渉縞はＹ方向に延伸する。上記のように格子パターン領域２１１、２１２、２１３の間で格子線２１ａは１ピッチの１／３ずつシフトされているため、第１領域Ｍ１、第２領域Ｍ２及び第３領域Ｍ３の間で干渉縞にずれが生じる。
ここで、荷重の印加によって第１回折格子２１と第２回折格子２２が相対的にＹ方向に移動すると、干渉縞がＸ方向に移動する。これにより、ＰＤ４１、４２、４３ではそれぞれ明暗のセットを１周期とする周期性の光を受光する。
図１０は、ＰＤ４１、４２、４３の出力を示すグラフであり、ＰＤ４１の出力をＳ１、ＰＤ４２の出力をＳ２、ＰＤ４３の出力をＳ３として示す。格子線２１ａが１ピッチの１／３ずつシフトされているため、図１０に示すように、第２領域Ｍ２の光（Ｓ２）は第１領域Ｍ１の光（Ｓ１）に対して位相が９０°ずれており、第３領域Ｍ３の光（Ｓ３）は第２領域Ｍ２の光（Ｓ２）に対して位相が９０°ずれている。
第３領域Ｍ３の光の位相（Ｓ３）は第１領域Ｍ１の光（Ｓ１）に対して位相が１８０°ずれているため、ＰＤ４１の出力（第１領域Ｍ１を受光）とＰＤ４３の出力（第３領域Ｍ３を受光）を足し、２で割る（（Ｓ１＋Ｓ３）／２）ことによってＤＣ（基準値）が得られる。ＤＣは光源１２から放出される光に変動が生じると、それに伴って変動する。
図１１は、ＰＤ４１、４２、４３の出力から得られるサイン波及びコサイン波を示すグラフである。同図に示すようにＰＤ４１の出力からＤＣを引く（Ｓ１−（Ｓ１＋Ｓ３）／２）ことによってサイン波が得られ、ＰＤ４２の出力からＤＣを引く（Ｓ２−（Ｓ１＋Ｓ３）／２）ことによってコサイン波が得られる。ＰＤＩＣ４０は、その波形を持つ電圧信号を出力し、図示しない演算処理回路に出力する。演算処理回路は、サイン波とコサイン波から第１回折格子２１に対する第２回折格子２２の変位量を算出することができる。
［効果について］
本実施形態に係る変位計測装置１００による効果を比較例との比較の上で説明する。比較例に係る変位計測装置は、ＰＤＩＣ及び第１回折格子の構成が本実施形態に係る変位計測測地とは異なる。図１２は、比較例に係るＰＤＩＣ２４０を示す模式図である。同図に示すように、ＰＤＩＣ２４０には４つのＰＤ２４１、２４２、２４３、２４４が設けられている。
また、同図に示すように、ＰＤＩＣ２４０に入射する干渉光は、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４の４つの領域に分割されている。比較例に係る第１回折格子は、干渉光がこのような形状となるように４つの格子パターン領域が設けられている。
図１３は、比較例に係る変位計測装置におけるＺチルトと検出誤差の関係を示すグラフである。同図に示すように、比較例に係る変位計測装置において±２ｎｍの精度を得るためには、許容されるＺチルトは±０．２５°である。
図１４は、比較例に係る変位計測装置において±２ｎｍの検出精度を得ることが可能なデフォーカス（ΔＺ）、Ｘチルト（ΔθＸ）、Ｙチルト（ΔθＹ）及びＺチルト（ΔθＺ）を示す表である。同図に示すように、比較例に係る構成では±２ｎｍの検出精度を得るためにはデフォーカスは２０μｍ以下、Ｚチルトは０．２°以下とする必要がある。このため、製造時の組み付け精度等によってＺチルトが０．２５°を超えると、±２ｎｍの検出精度を得ることができなくなる。
これに対し、本実施形態に係る変位計測装置１００では上記のように、ＰＤ４１、４２、４２はＹ方向に配列しており、その配列方向は、干渉縞の延伸方向（Ｙ方向）に沿った方向である。これにより、各ＰＤでの位相シフト量がＺチルト（第１回折格子２１と第２回折格子２２の光軸方向に対する傾き）による影響を受けにくくなり、Ｚチルトマージンが向上する。
また、変位計測装置１００では上記のように、ＰＤ４１、４２、４３はＹ方向に互いに離間している。これによりデフォーカス（ΔＺ）による影響を受けにくくなる。図１５は、デフォーカスが生じたときのＰＤＩＣ４０における干渉光を示す模式図である。同図に示すように、デフォーカスが生じると干渉光の位置にずれ（図中破線）が生じる。この場合でも、干渉光の浸食、即ち第１領域Ｍ１の光がＰＤ４２に到達し、あるいは第２領域Ｍ２の光がＰＤ４１に到達することや、第２領域Ｍ１の光がＰＤ４３に到達し、あるいは第２領域Ｍ３の光がＰＤ４２に到達することが防止されている。
図１６は、Ｚチルト、デフォーカス及び精度の相関をシミュレーション解析した結果を示すグラフであり、横軸はΔＺ（デフォーカス）を示し、縦軸はリサージュ誤差を示す。リサージュ誤差はサインを横軸に、コサインを縦軸にとった図形（リサージュ図形）の真円からの誤差を意味する。図１６に示すように、ΔＺが８０μｍ以下であればリサージュ誤差がほとんどなく、測定値に影響がないことがわかる。
また、同図に示すように、０．６°のＺチルトが生じても、リサージュ誤差に大きな影響がないことがわかる。図１７は、変位計測装置１００において±２ｎｍの検出精度を得ることが可能なデフォーカス（ΔＺ）、Ｘチルト（ΔθＸ）、Ｙチルト（ΔθＹ）及びＺチルト（ΔθＺ）を示す表である。
このように変位計測装置１００ではデフォーカスは８０μｍ以下、Ｚチルトは０．６°以下であれば±２ｎｍの検出精度を得ることができ、上記比較例（図１４参照）と比較するとデフォーカス（ΔＺ）及びＺチルト（ΔθＺ）のマージンが大きく改善されるといえる。
［ＰＤの間隔について］
上述のようにＰＤ４１、４２、４２はＹ方向に互いに離間している。ＰＤ４１、４２、４２の間隔は特に限定されないが、Ｙ方向に沿うＰＤ４１、４２、４２の幅と同程度とすることができる。
図１８は、ＰＤ４１、４２、４２の幅及び間隔を示す模式図である。同図に示すように、ＰＤ４１のＹ方向に沿った幅を幅Ｗ１、ＰＤ４２のＹ方向に沿った幅を幅Ｗ２、ＰＤ４３のＹ方向に沿った幅を幅Ｗ３とすると、幅Ｗ１、幅Ｗ２及び幅Ｗ３は互いに同一とすることができる。
また、ＰＤ４１、４２、４２のＹ方向に沿った間隔を間隔Ｄとすると、間隔Ｄは幅Ｗ１、幅Ｗ２及び幅Ｗ３に等しいものとすることができる。このようにＰＤ４１、４２、４２の間隔を大きくすることにより、図１５に示すようにデフォーカスが発生した場合において、干渉光の浸食がより起こりにくくなり、デフォーカス（ΔＺ）による影響を受けにくくなる。
図１９は、第１回折格子２１とＰＤ４１、４２、４２をＸ方向において並べた模式図である。同図に示すように、間隔Ｄが幅Ｗ１、幅Ｗ２及び幅Ｗ３に等しい場合、Ｙ方向においてＰＤ４１の中心と格子パターン領域２１１の中心が一致し、ＰＤ４２と格子パターン領域２１２、ＰＤ４３と格子パターン領域２１３のそれぞれの中心が一致する。
図２０は、この場合のＺチルト、デフォーカス及び精度の相関をシミュレーション解析した結果を示すグラフであり、横軸はΔＺ（デフォーカス）を示し、縦軸はリサージュ誤差を示す。同図に示すように、ΔＺが１６０μｍ以下であればリサージュ誤差がほとんどなく、測定値に影響がないことがわかる。
また、同図に示すように、０．６°のＺチルトが生じても、リサージュ誤差に大きな影響がないことがわかる。図２１は、変位計測装置１００において±２ｎｍの検出精度を得ることが可能なデフォーカス（ΔＺ）、Ｘチルト（ΔθＸ）、Ｙチルト（ΔθＹ）及びＺチルト（ΔθＺ）を示す表である。
このようにＰＤ４１、４２、４２がその幅と同一の間隔を有する変位計測装置１００ではデフォーカスは１６０μｍ以下、Ｚチルトは０．６°以下であれば±２ｎｍの検出精度を得ることができ、上記比較例（図１４参照）と比較するとデフォーカス及びＺチルトのマージンが大きく改善されるといえる。なお、幅Ｗ１、幅Ｗ２及び幅Ｗ３は必ずしも同一でなくてもよい。
［変形例］
上記実施形態では、第１回折格子２１は透過型回折格子であり、第２回折格子２２は反射型回折格子としたがこれに限られず、第１回折格子２１で生成された回折光が第２回折格子２２において干渉を生じるような構成であればよい。
また、上記実施形態では、計測対象となる変位方向は、第１回折格子２１および第２回折格子２２の格子線２１ａ、２２ａの配列方向の相対移動方向であった。しかし、第１回折格子および第２回折格子が配列される方向に相対移動することによっても、それに応じて干渉光の強度が変わる。したがってこの場合、変位計測装置は、その強度を検出することにより、その相対変位を計測することができる。
また、上記実施形態では、導光部材３１とプリズムミラー３５とが接続されて一体に設けられていたが、これらは別体であってもよい。また、プリズムミラー３５およびミラー３７に代えて、光を吸収できる吸収部材が、導光部材３１と一体または別体で設けられてもよい。
１２…光源
２１…第１回折格子
２２…第２回折格子
３０…光学部材
４０…ＰＤＩＣ
４１、４２、４３…ＰＤ
１００…変位計測装置
２１１、２１２、２１３…格子パターン領域

Claims (7)

  1. 光源からの光が入射する第１回折格子であって、それぞれが所定の回折格子パターンを有する複数の格子パターン領域を備え、前記複数の格子パターン領域は格子ピッチが互いに同一である第１回折格子と、
    前記第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、
    前記第２回折格子から出射された干渉光が入射する光検出器であって、複数の光検出素子を備え、前記複数の光検出素子は、前記干渉光によって生じる干渉縞が延伸する方向に沿って配列する光検出器と
    を備える変位計測装置。
  2. 請求項１に記載の変位計測装置であって、
    前記複数の光検出素子は、前記干渉縞が延伸する方向に沿って、前記干渉縞が延伸する方向に沿う光検出素子の幅と同一の間隔を空けて互いに離間する
    変位計測装置。
  3. 請求項１に記載の変位計測装置であって、
    前記複数の格子パターン領域は、第１格子パターン領域、第２格子パターン領域及び第３格子パターン領域を含み、前記第２格子パターン領域は、前記第１格子パターン領域の回折格子パターンに対して９０°の位相シフトを生じさせる回折格子パターンを有し、前記第３格子パターン領域は、前記第１格子パターン領域の回折格子パターン対して１８０°の位相シフトを生じさせる回折格子パターンを有する
    変位計測装置。
  4. 請求項３に記載の変位計測装置であって、
    前記複数の光検出素子は第１光検出素子、第２光検出素子及び第３光検出素子を含み、前記第１光検出素子は前記第１格子パターン領域から出射された光を受光し、前記第２光検出素子は前記第２格子パターン領域から出射された光を受光し、前記第３光検出素子は前記第３格子パターン領域から出射された光を受光する
    変位計測装置。
  5. 請求項１に記載の変位計測装置であって、
    対向する平行な一対の反射面を有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成された光学手段
    をさらに具備する変位計測装置。
  6. 請求項１に記載の変位計測装置であって、
    前記複数の光検出素子の出力に基づいて、前記第１回折格子に対する前記第２回折格子の変位を算出する演算処理回路
    をさらに具備する変位計測装置。
  7. 光源からの光が入射する第１回折格子であって、それぞれが所定の回折格子パターンを有する複数の格子パターン領域を備え、前記複数の格子パターン領域は格子ピッチが互いに同一である第１回折格子と、前記第１回折格子から出射された回折光が入射することにより干渉光を生成する第２回折格子と、前記第２回折格子から出射された干渉光が入射する光検出器であって、複数の光検出素子を備え、前記複数の光検出素子は、前記干渉光によって生じる干渉縞が延伸する方向に沿って配列する光検出器とを備える変位計測装置を準備し、
    前記複数の光検出素子の出力に基づいて、前記第１回折格子に対する前記第２回折格子の変位を算出する
    変位計測方法。
JP2016173586A 2016-09-06 2016-09-06 変位計測装置及び変位計測方法 Pending JP2018040620A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016173586A JP2018040620A (ja) 2016-09-06 2016-09-06 変位計測装置及び変位計測方法
US15/692,374 US20180066966A1 (en) 2016-09-06 2017-08-31 Displacement measuring device and method of measuring displacement
DE102017008368.1A DE102017008368A1 (de) 2016-09-06 2017-09-06 Versetzungsmessvorrichtung und Verfahren zum Messen einer Versetzung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016173586A JP2018040620A (ja) 2016-09-06 2016-09-06 変位計測装置及び変位計測方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2018040620A true JP2018040620A (ja) 2018-03-15

Family

ID=61197758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016173586A Pending JP2018040620A (ja) 2016-09-06 2016-09-06 変位計測装置及び変位計測方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20180066966A1 (ja)
JP (1) JP2018040620A (ja)
DE (1) DE102017008368A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10591826B2 (en) * 2016-04-11 2020-03-17 Nikon Corporation Encoder head with a birefringent lens element and exposure system utilizing the same
US10483107B2 (en) * 2016-04-11 2019-11-19 Nikon Corporation Encoder head with birefringent elements for forming imperfect retroreflection and exposure system utilizing the same
IT202100013949A1 (it) * 2021-05-28 2022-11-28 Univ Degli Studi Di Napoli Federico Ii Sistema fotonico per il rilevamento di spostamenti trasversali

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3059733B2 (ja) 1989-06-16 2000-07-04 三洋電機株式会社 手指消毒器
JP3144143B2 (ja) 1993-04-13 2001-03-12 ソニー・プレシジョン・テクノロジー株式会社 光学式変位測定装置
JPH0843137A (ja) 1994-07-28 1996-02-16 Canon Inc 光学式エンコーダー
JPH11108697A (ja) 1997-09-30 1999-04-23 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 光学式位置検出装置の検出器配置構造
JP2000146705A (ja) 1998-11-04 2000-05-26 Nikon Corp グレーティングシアリング干渉計を用いた位相分布の計測方法
JP4981203B2 (ja) 2000-08-01 2012-07-18 オリンパス株式会社 光学式エンコーダー

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017008368A1 (de) 2018-03-08
US20180066966A1 (en) 2018-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101930777B1 (ko) 변위 검출 장치
US9175987B2 (en) Displacement detecting device
JP5100266B2 (ja) エンコーダ
JP4608274B2 (ja) 変位測定装置
US8604413B2 (en) Optical encoder including displacement sensing normal to the encoder scale grating surface
JP4399179B2 (ja) 光学式変位検出装置および方法
JP2010527014A (ja) 光学位置測定装置
JP4863803B2 (ja) 光学式エンコーダ
JP2008032726A (ja) 光エンコーダ
US10082410B2 (en) Optical position measuring device for generating wavelength-dependent scanning signals
JP2010078566A (ja) 変位計測装置
JP2018040620A (ja) 変位計測装置及び変位計測方法
JPH02266224A (ja) 位置測定装置
US9733069B2 (en) Optical position-measuring device
JP5128364B2 (ja) 位置測定装置
US9719809B2 (en) Optical unit and displacement measuring device
JP2005283357A (ja) 光電式エンコーダ
JP5112797B2 (ja) 光電式インクリメンタル型エンコーダ
JP5069364B2 (ja) 光電式インクリメンタル型エンコーダ
US9739598B2 (en) Device for interferential distance measurement
JP2018096807A (ja) 光電式エンコーダ
JP5454373B2 (ja) エンコーダ
US10591321B2 (en) Optical encoder
JP2018194526A (ja) 変位計測装置および変位計測方法
JP2019215170A (ja) 光学ユニットおよび変位計測装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181115

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190906

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190917

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191108

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191203

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20200811