JP2023097776A

JP2023097776A - 多軸変位測定装置及び多軸変位測定方法

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Publication number: JP2023097776A
Application number: JP2021214060A
Authority: JP
Inventors: 裕樹清水; Hiroki Shimizu; 偉高; Isamu Ko; 啓松隈; Hiraku Matsukuma; 一帆洪; Yifan Hong; 良太松岡; Ryota Matsuoka
Original assignee: Tohoku University NUC; TPR Osaka Seimitsu Kikai Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; TPR Osaka Seimitsu Kikai Co Ltd
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-07-10

Abstract

【課題】参照格子を設けることなく、スケール回折格子の多軸変位の検出が可能な多軸変位測定装置及び多軸変位測定方法を提供する。
【解決手段】レーザ光源４から射出したレーザ光５をスケール回折格子３に入射し、得られる＋１次回折光８及び－１次回折光９と０次反射光１０とをそれぞれ干渉させた干渉ビームを生成する。干渉ビームをそれぞれ受光機構で受光して干渉信号をそれぞれ生成する。各干渉信号に基づきスケール回折格子３の多軸変位を演算により算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スケール回折格子を用いて変位を測定する多軸変位測定装置及びこれを備えた多軸変位測定方法に関する。

産業機械においては、加工や計測等の目的のために、対象物を目標の位置に精度よく停止させる、いわゆる位置決め動作がなされており、この目的のために平面ステージ等の多軸位置決め機構が用いられている。特に、サブマイクロメートル超の高精度位置決めが要求される機構においては、可動ステージテーブル移動量を高精度に検出する変位センサを用い、その出力をもとに可動ステージテーブル位置を制御するクローズドループ制御が必要となる。

平面ステージ等、多軸位置決め機構のクローズドループ制御向け変位センサとしては、平面ステージ機構の構成上、可動ステージテーブルの変位を非接触で測定できる計測機が必要であり、測定レンジ及び測定分解能等の観点から、レーザ干渉変位計が用いられることが多い。このレーザ干渉変位計は、ホモダイン方式とヘテロダイン方式に大別できる。ホモダイン方式は単一波長を有する測定レーザ光を光源として用いるのに対して、ヘテロダイン方式は波長の若干異なる２波長のレーザ光を測定レーザ光として用いるものである（例えば、非特許文献１参照）。いずれも基本的には測定対象のレーザ光軸方向への変位を検出するもので、多軸位置決めの際にはその駆動軸数の測定レーザ光が必要となる。

一方で、スライドテーブル等の移動量検出対象に位置検出用の微細パターンを有するスケールを搭載し、スライドのベース側に固定して設置した光学式読み取りヘッドでこの微細パターンを検出することでスライドテーブル移動量を測定する、光学式エンコーダも多軸位置決めに多用される。微細パターンとしては、スケール上での絶対位置検出を可能とするパターンや、ナノメートル超の高分解能位置検出を実現する格子状のパターンが用いられているが、特に、格子状のパターンにより生じる回折光から干渉信号を得ることでスケール変位を検出する光干渉方式のリニアエンコーダでは、ナノメートル超の高分解能測定が実現できる。２軸パターンを有するスケール回折格子及び参照格子を用い、これらにレーザ光を照射して得られる回折光を重畳して利用するサーフェスエンコーダでは、２軸スケール回折格子の面内（ＸＹ）２軸変位及びスケール回折格子の法線方向（Ｚ）変位の３軸変位を一括検出することが可能である（例えば、特許文献１参照）。この手法をもとに、スケール回折格子を移動体に取り付け、参照格子を光学ヘッド内で固定することで、スケール回折格子と光学ヘッドの間のＸＹＺ各軸相対変位をサブナノメートル級の分解能で一括検出できることが実験的にも実証されている（例えば、非特許文献２及び３参照）。

特許第４７７９１１７号公報

高偉、最新エンコーダ技術と展望、精密工学会誌、Vol.82、No.9(2016) p.773-777 A. Kimura et al.、A sub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings for stage motion measurement、Precision Engineering、Vol.36(2012) p.576-585 X. Li et al.、A six-degree-of-freedom surface encoder for precision positioning of a planar motion stage、Precision Engineering、Vol.37(2013) p.771-781

しかしながら、従来のサーフェスエンコーダでは、光学ヘッド内に参照格子を配置する必要があり、光学ヘッドをコンパクトに構成することが容易ではないことから、光学ヘッドを設置できるスペースに制約のあるアプリケーションへのサーフェスエンコーダの適用が困難であるという欠点がある。

また、スケール回折格子と全く同一のピッチを有する２軸回折格子パターンを有する参照格子を準備する必要があり、ピッチのずれが測定精度の低下を招くという欠点もある。

そのため、光学ヘッド内に参照格子を設置せずとも３軸相対変位を同時に測定できる手法の確立が望まれている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、参照格子を用いることなく、スケール回折格子の多軸変位の検出が可能な多軸変位測定装置及び多軸変位測定方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の多軸変位測定装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から射出したレーザ光を入射するスケール回折格子と、前記レーザ光を前記スケール回折格子に入射して得られる＋１次回折光及び－１次回折光と０次反射光とをそれぞれ干渉させた干渉ビームを生成する光学系と、前記干渉ビームをそれぞれ受光して干渉信号をそれぞれ生成する受光機構と、前記各干渉信号に基づき前記スケール回折格子の多軸変位を演算により算出するスケール変位算出器と、を具備したものである。

請求項２記載の多軸変位測定装置は、請求項１記載の多軸変位測定装置において、前記レーザ光源から射出したレーザ光をコリメート光に整形するコリメート光生成機構を備え、前記スケール回折格子に入射する入射光は、前記コリメート光であるものである。

請求項３記載の多軸変位測定装置は、請求項２記載の多軸変位測定装置において、前記光学系は、前記コリメート光を前記スケール回折格子に入射して得られる＋１次回折光及び－１次回折光をそれぞれ前記コリメート光と平行にする回折光伝播方向制御ユニットと、前記回折光伝播方向制御ユニットからの＋１次回折光及び－１次回折光と前記スケール回折格子からの０次反射光との偏光方向を制御する波長板と、前記波長板によって偏光制御された０次反射光、＋１次回折光及び－１次回折光の伝播方向を変えるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより伝播方向を変えられた０次反射光を複数のサブ０次ビームに分割し、＋１次回折光及び－１次回折光との重畳ビームを生成する干渉ユニットと、前記干渉ユニットにより生成した０次・＋１次回折光重畳ビームと、０次・－１次回折光重畳ビームと、の偏光状態を制御して、前記干渉ビームである０次・＋１次回折光干渉ビームと、前記干渉ビームである０次・－１次回折光干渉ビームと、を生成する干渉ビーム生成波長板と、を有するものである。

請求項４記載の多軸変位測定装置は、請求項２記載の多軸変位測定装置において、前記光学系は、前記コリメート光を前記スケール回折格子に入射して得られる＋１次回折光及び－１次回折光をそれぞれ前記コリメート光と平行にする回折光伝播方向制御ユニットと、前記回折光伝播方向制御ユニットからの＋１次回折光及び－１次回折光と前記スケール回折格子からの０次反射光との偏光方向を制御する波長板と、前記波長板によって偏光制御された０次反射光、＋１次回折光及び－１次回折光の伝播方向を変える偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより伝播方向を変えられた０次反射光を複数のサブ０次ビームに分割し、＋１次回折光及び－１次回折光と前記サブ０次ビームとの重畳ビームを生成する干渉ユニットと、前記干渉ユニットにより生成した０次・＋１次回折光重畳ビームと、０次・－１次回折光重畳ビームと、をそれぞれ、一及び他の０次・＋１次回折光重畳サブビームと、一及び他の０次・－１次回折光重畳サブビームと、に２分割するビームスプリッタと、前記一の０次・＋１次回折光重畳サブビームと、前記一の０次・－１次回折光重畳サブビームと、の偏光状態を制御して、前記干渉ビームである一の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、前記干渉ビームである一の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、を生成する一の干渉サブビーム生成波長板と、前記他の０次・＋１次回折光重畳サブビームと、前記他の０次・－１次回折光重畳サブビームと、の偏光状態を制御して、前記干渉ビームである他の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、前記干渉ビームである他の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、を生成する他の干渉サブビーム生成波長板と、前記他の０次・＋１次回折光干渉サブビームと前記他の０次・＋１次回折光干渉サブビームとに、前記一の０次・＋１次回折光干渉サブビームと前記一の０次・－１次回折光干渉サブビームとに対して９０°の位相差を付与する位相板と、を有するものである。

請求項５記載の多軸変位測定装置は、請求項１乃至４いずれか一記載の多軸変位測定装置において、前記スケール回折格子は、１軸の回折格子パターンを有するものである。

請求項６記載の多軸変位測定装置は、請求項１乃至４いずれか一記載の多軸変位測定装置において、前記スケール回折格子は、２軸の回折格子パターンを有するものである。

請求項７記載の多軸変位測定装置は、請求項１乃至６いずれか一記載の多軸変位測定装置において、前記受光機構は、１素子フォトダイオード、一次元ＰＳＤ、一次元撮像素子のいずれかであるものである。

請求項８記載の多軸変位測定装置は、請求項１乃至６いずれか一記載の多軸変位測定装置において、前記受光機構は、多分割フォトダイオード、二次元ＰＳＤ、二次元撮像素子のいずれかであるものである。

請求項９記載の多軸変位測定方法は、請求項１乃至８いずれか一記載の多軸変位測定装置を用いて、前記スケール回折格子の多軸変位を測定するものである。

本発明によれば、参照格子を用いることなく、スケール回折格子の多軸変位の検出が可能になる。

本発明の第１の実施の形態の多軸変位測定装置を示す概略構成図である。図１の一部を模式的に示す説明図である。同上多軸変位測定装置の干渉ユニット通過前後の各ビームの偏光状態を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態の多軸変位測定装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１において、１は多軸変位測定装置を示す。多軸変位測定装置１は、移動体２に搭載された測定対象であるスケール回折格子３の多軸変位を測定するためのものである。移動体２は、例えば移動ステージ機構のスライドテーブル等である。スケール回折格子３は、反射型のものである。以下、スケール回折格子３の面内の直交方向をＸ方向及びＹ方向、それらと直交する面外方向（光軸方向）をＺ方向として説明する。

多軸変位測定装置１は、レーザ光源４を備える。レーザ光源４は、例えば半導体レーザ光源である。レーザ光源４から射出されたレーザ光５が、スケール回折格子３に照射される。本実施の形態では、レーザ光５から、コリメート光生成機構６により生成されたコリメート光７がスケール回折格子３に照射される。コリメート光生成機構６は、例えば非球面レンズ等からなる。

そして、多軸変位測定装置１は、コリメート光７のスケール回折格子３への照射により発生した＋１次回折光８及び－１次回折光９と０次反射光１０とをそれぞれ干渉させた干渉ビームを光学系１１により生成し、それら干渉ビームをそれぞれ受光機構により受光して干渉信号をそれぞれ生成するとともに、各干渉信号に基づきスケール回折格子３の多軸変位をスケール変位算出器１２によって演算により算出することで、移動体２に搭載された測定対象であるスケール回折格子３の多軸変位を同時に測定する。

すなわち、移動体２を移動すると、それに伴うスケール回折格子３の移動により、各干渉ビームの位相が変動する。この位相変動は、スケール回折格子３の面内方向変位（ΔｘまたはΔｙ）、及び、面外方向変位（Δｚ）により発生するが、Δｚはそれぞれの干渉ビームに同相の位相変化を与える一方で、ΔｘあるいはΔｙは、それぞれの干渉ビームに逆相の位相変化を与える。そのため、多軸変位測定装置１では、これら干渉ビームを受光機構で捕捉することで得られる２つの干渉信号をもとにスケール変位算出器１２によって演算をすることで、ΔｘあるいはΔｙとΔｚとを分離して取り出すことができるようになっている。

本実施の形態では、図２に示すように、スケール回折格子３がＹ方向に延びる等間隔の１軸パターンを有するものとし、スケール回折格子３のＸ方向変位、及び、Ｚ方向変位の検出について説明する。

図１に示す光学系１１は、回折光伝播方向制御ユニット１５を有する。回折光伝播方向制御ユニット１５は、＋１次回折光８及び－１次回折光９をコリメート光７と平行に変換する。

光学系１１は、波長板１６と、ビームスプリッタである偏光ビームスプリッタ１７と、をさらに有する。回折光伝播方向制御ユニット１５を通過後の＋１次回折光８、－１次回折光９、及び、スケール回折格子３からの０次反射光１０は、波長板１６により偏光方向がそれぞれ制御されるとともに、偏光ビームスプリッタ１７により伝播方向が変えられる。

また、光学系１１は、干渉ユニット２０を有する。干渉ユニット２０には、偏光ビームスプリッタ１７により伝播方向を変えられた＋１次回折光８、－１次回折光９及び０次反射光１０が入射する。干渉ユニット２０により、０次反射光１０はサブ０次ビームである一のサブ０次ビーム２１とサブ０次ビームである他のサブ０次ビーム２２とに分割され、一のサブ０次ビーム２１が＋１次回折光８に重畳され、他のサブ０次ビーム２２が－１次回折光９に重畳されて、重畳ビームである０次・＋１次回折光重畳ビーム２３と重畳ビームである０次・－１次回折光重畳ビーム２４とが生成される。

さらに、光学系１１は、干渉ビーム生成波長板２５を有する。干渉ビーム生成波長板２５は、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３及び０次・－１次回折光重畳ビーム２４の偏光状態を制御する。干渉ビーム生成波長板２５により、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３及び０次・－１次回折光重畳ビーム２４から、干渉ビームである０次・＋１次回折光干渉ビーム２７及び干渉ビームである０次・－１次回折光干渉ビーム２８が生成される。

また、光学系１１は、受光機構（受光素子）である０次・＋１次回折光受光機構３０と、受光機構（受光素子）である０次・－１次回折光受光機構３１と、を有する。０次・＋１次回折光受光機構３０及び０次・－１次回折光受光機構３１は、フォトダイオード等である。例えば、０次・＋１次回折光受光機構３０及び０次・－１次回折光受光機構３１は、１素子フォトダイオード、一次元ＰＳＤ、一次元撮像素子のいずれかである。

そして、０次・＋１次回折光干渉ビーム２７が０次・＋１次回折光受光機構３０に受光されて干渉信号である０次・＋１次回折光干渉信号３３が生成される。同様に、０次・－１次回折光干渉ビーム２８が０次・－１次回折光受光機構３１に受光されて干渉信号である０次・－１次回折光干渉信号３４が生成される。

０次・＋１次回折光干渉信号３３と０次・－１次回折光干渉信号３４とは、スケール変位算出器１２に入射し、スケール変位算出器１２により、スケール回折格子３の変位が算出される。

ここで、本実施の形態の多軸変位測定装置１における、干渉ユニット２０及び干渉ビーム生成波長板２５による０次・＋１次回折光干渉ビーム２７及び０次・－１次回折光干渉ビーム２８の生成について、図３を用いて説明する。なお、本実施の形態において、＋１次回折光８、－１次回折光９及び０次反射光１０は、干渉ユニット２０にＳ偏光の状態で入射しているものとして説明する。

干渉ユニット２０は、波長板３６、波長板３７、無偏光ビームスプリッタ３８、偏光ビームスプリッタ３９、ミラー４０、及び、偏光ビームスプリッタ４１を有する。

波長板３６には、＋１次回折光８、－１次回折光９及び０次反射光１０が入射する。波長板３６は、これら＋１次回折光８、－１次回折光９及び０次反射光１０の偏光方向を変える。本実施の形態において、＋１次回折光８、－１次回折光９及び０次反射光１０は、波長板３６により、それぞれＰ偏光に変換される。

波長板３７には、波長板３６を通過した０次反射光１０が入射する。波長板３７は、０次反射光１０の偏光方向を変える。本実施の形態において、０次反射光１０は、波長板３７により、Ｓ偏光に変換される。

無偏光ビームスプリッタ３８には、波長板３７を通過した０次反射光１０が入射する。無偏光ビームスプリッタ３８は、０次反射光１０を、一のサブ０次ビーム２１と他のサブ０次ビーム２２とに分割する。

一のサブ０次ビーム２１は、偏光ビームスプリッタ３９において伝播方向が変更されるとともに、波長板３６を通過してＰ偏光となった＋１次回折光８と重畳されることで、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３が生成される。

同様に、他のサブ０次ビーム２２は、ミラー４０、及び、偏光ビームスプリッタ４１において伝播方向が変更されるとともに、波長板３６を通過してＰ偏光となった－１次回折光９と重畳されることで、０次・－１次回折光重畳ビーム２４が生成される。

０次・＋１次回折光重畳ビーム２３及び０次・－１次回折光重畳ビーム２４は、干渉ビーム生成波長板２５に入射する。

ここで、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３内における一のサブ０次ビーム２１、及び、０次・－１次回折光重畳ビーム２４内における他のサブ０次ビーム２２はそれぞれＳ偏光、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３内における＋１次回折光８、及び、０次・－１次回折光重畳ビーム２４内における－１次回折光９はそれぞれＰ偏光であることから、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３内及び０次・－１次回折光重畳ビーム２４内ではそれぞれ干渉が発生しない。そこで、干渉ビーム生成波長板２５を、例えば１／４波長板等で構成することにより、干渉ビーム生成波長板２５によって偏光制御し、双方を円偏光とすることで、０次・＋１次回折光干渉ビーム２７及び０次・－１次回折光干渉ビーム２８が得られる。

このようにして生成される０次・＋１次回折光干渉ビーム２７の光強度Ｉ_ＰＯＳ（Δｘ，Δｚ）は、スケール回折格子３の格子ピッチｇに基づき、以下の式で表すことができる。

また、０次・－１次回折光干渉ビーム２８の光強度Ｉ_ＮＥＧ（Δｘ，Δｚ）は、スケール回折格子３の格子ピッチｇに基づき、以下の式で表すことができる。

なお、数１及び数２において、θは＋１次回折光８及び－１次回折光９の回折角、λはレーザ光源４のレーザ光５（コリメート光７）の波長である。

数１において、オフセット成分を除去して正規化することで、以下の式を得ることができる。

また、数２において、オフセット成分を除去して正規化することで、以下の式を得ることができる。

数３及び数４より、以下の式をそれぞれ得ることができる。

ここで、スケール回折格子３の格子ピッチｇは、光学系の設計値として既知である。そのため、０次・＋１次回折光受光機構３０及び０次・－１次回折光受光機構３１によって検出した０次・＋１次回折光干渉ビーム２７の光強度Ｉ_ＰＯＳ（Δｘ，Δｚ）及び０次・－１次回折光干渉ビーム２８の光強度Ｉ_ＮＥＧ（Δｘ，Δｚ）から、スケール変位算出器１２により数３乃至数６の演算を行うことで、スケール回折格子３の面内方向の変位Δｘ及び面外方向変位Δｚを同時に検出可能となる。

このように、レーザ光源４から射出したレーザ光５をスケール回折格子３に入射し、得られる＋１次回折光８及び－１次回折光９と０次反射光１０とをそれぞれ干渉させた干渉ビームを生成して、これら干渉ビームをそれぞれ受光機構で受光して生成した各干渉信号に基づきスケール回折格子３の多軸変位をスケール変位算出器１２の演算により算出することで、参照格子を設けることなく、スケール回折格子３の多軸変位の検出が可能になる。したがって、光学ヘッドをよりコンパクトに構成すること、及び、スケール回折格子３の３軸相対変位の高精度な３軸同時検出の実現が期待できる。

本実施の形態では、コリメート光生成機構６によりレーザ光５をコリメート光７に整形してスケール回折格子３に入射させるので、スケール回折格子３の変位をより高精度に検出可能となる。

また、スケール回折格子３にレーザ光４を照射して＋１次回折光８及び－１次回折光９と０次反射光１０とを発生させるとともに、偏光ビームスプリッタ１７を用いて０次反射光１０を一のサブ０次ビーム２１と他のサブ０次ビーム２２とに分割し、一のサブ０次ビーム２１と＋１次回折光８とを重畳して干渉信号を得るとともに、他のサブ０次ビーム２２と－１次回折光９とを重畳して他の干渉信号を得て、これら干渉信号を受光機構で検出する。そして、光学ヘッドとスケール回折格子３との相対変位により変化する複数の干渉信号の位相情報をもとに、スケール変位算出器１２の演算によりレーザ光４の光軸方向の相対変位及びスケール回折格子３の面内方向の相対変位による位相変化を分離して評価する。この結果、参照格子を不要とする多軸変位測定装置１及び多軸変位測定方法を提供することができる。

次に、第２の実施の形態について、図４を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成及び作用については、同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の多軸変位測定装置１は、レーザ光源４から干渉ユニット２０までの構成は第１の実施形態と同様であるが、検出変位の方向弁別のため、光学系を拡張した構成となっている。

本実施の形態において、０次・＋１次回折光重畳ビーム２３及び０次・－１次回折光重畳ビーム２４は、それぞれビームスプリッタである無偏光ビームスプリッタ４５によりそれぞれ２分割され、重畳サブビームである一の０次・＋１次回折光重畳サブビーム４７及び重畳サブビームである他の０次・＋１次回折光重畳サブビーム４８と、重畳サブビームである一の０次・－１次回折光重畳サブビーム４９及び重畳サブビームである他の０次・－１次回折光重畳サブビーム５０とが生成される。

一の０次・＋１次回折光重畳サブビーム４７及び一の０次・－１次回折光重畳サブビーム４９は、一の干渉ビーム生成波長板５１により干渉ビームである一の０次・＋１次回折光干渉サブビーム５２及び干渉ビームである一の０次・－１次回折光干渉サブビーム５３に変換される。一の０次・＋１次回折光干渉サブビーム５２は、受光機構（受光素子）である一の０次・＋１次回折光受光機構５５に受光され、一の０次・－１次回折光干渉サブビーム５３は、受光機構（受光素子）である一の０次・－１次回折光受光機構５６に受光されて、干渉信号である一の０次・＋１次回折光干渉サブ信号５８及び干渉信号である一の０次・－１次回折光干渉サブ信号５９が生成される。

一方、他の０次・＋１次回折光重畳サブビーム４８及び他の０次・－１次回折光重畳サブビーム５０は、他の干渉ビーム生成波長板６１により干渉ビームである他の０次・＋１次回折光干渉サブビーム６２及び干渉ビームである他の０次・－１次回折光干渉サブビーム６３に変換される。他の０次・＋１次回折光干渉サブビーム６２及び他の０次・－１次回折光干渉サブビーム６３は、位相板６４によりそれぞれ一の０次・＋１次回折光干渉サブビーム５２及び一の０次・－１次回折光干渉サブビーム５３に対して位相が９０°ずらされ、他の０次・＋１次回折光干渉サブビーム６２は、受光機構（受光素子）である他の０次・＋１次回折光受光機構６５に受光され、他の０次・－１次回折光干渉サブビーム６３は、受光機構（受光素子）である他の０次・－１次回折光受光機構６６に受光されて、干渉信号である他の０次・＋１次回折光干渉サブ信号６８及び干渉信号である他の０次・－１次回折光干渉サブ信号６９が生成される。

このようにして生成される一の０次・＋１次回折光干渉サブ信号５８の光強度Ｉ_{ＰＯＳ＿Ａ}（Δｘ，Δｚ）は、スケール回折格子３の格子ピッチｇに基づき以下の式で表すことができる。

また、一の０次・－１次回折光干渉サブ信号５９の光強度Ｉ_{ＮＥＧ＿Ａ}（Δｘ，Δｚ）は、スケール回折格子３の格子ピッチｇに基づき、以下の式で表すことができる。

また、他の０次・＋１次回折光干渉サブ信号６８の光強度Ｉ_{ＰＯＳ＿Ｂ}（Δｘ，Δｚ）は、スケール回折格子３の格子ピッチｇに基づき、以下の式で表すことができる。

さらに、他の０次・－１次回折光干渉サブ信号６９の光強度Ｉ_{ＮＥＧ＿Ｂ}（Δｘ，Δｚ）は、スケール回折格子３の格子ピッチｇに基づき、以下の式で表すことができる。

数７において、オフセット成分の除去及び正規化処理を行うことより、以下の式を得ることができる。

また、数８において、オフセット成分の除去及び正規化処理を行うことより、以下の式を得ることができる。

また、数９において、オフセット成分の除去及び正規化処理を行うことより、以下の式を得ることができる。

さらに、数１０において、オフセット成分の除去及び正規化処理を行うことより、以下の式を得ることができる。

数１１乃至数１４より、以下の式をそれぞれ得ることができる。

ここで、スケール回折格子３の格子ピッチｇは、光学系の設計値として既知である。そのため、一の０次・＋１次回折光受光機構５５、一の０次・－１次回折光受光機構５６、他の０次・＋１次回折光受光機構６５、及び、他の０次・－１次回折光受光機構６６によって検出した一の０次・＋１次回折光干渉サブ信号５８の光強度Ｉ_{ＰＯＳ＿Ａ}（Δｘ，Δｚ）、一の０次・－１次回折光干渉サブ信号５９の光強度Ｉ_{ＮＥＧ＿Ａ}（Δｘ，Δｚ）、他の０次・＋１次回折光干渉サブ信号６８の光強度Ｉ_{ＰＯＳ＿Ｂ}（Δｘ，Δｚ）、及び、他の０次・－１次回折光干渉サブ信号６９の光強度Ｉ_{ＮＥＧ＿Ｂ}（Δｘ，Δｚ）から、スケール変位算出器１２により数１１乃至数１６の演算を行うことで、スケール回折格子３の面内方向変位（Δｘ）及び面外方向変位（Δｚ）を同時に検出可能となる。

このように、レーザ光源４から射出したレーザ光５をコリメート光生成機構６によりコリメート光７に整形してスケール回折格子３に入射し、得られる＋１次回折光８及び－１次回折光９と０次反射光１０とをそれぞれ干渉させた干渉ビームを生成して、これら干渉ビームをそれぞれ受光機構で受光して生成した各干渉信号に基づきスケール回折格子３の多軸変位をスケール変位算出器１２の演算により算出する等、第１の実施の形態と同様の構成を有することで、参照格子を設けることなく、スケール回折格子３の多軸変位の検出が可能になる等、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、本実施の形態では、スケール回折格子３にレーザ光４を照射して＋１次回折光８及び－１次回折光９と０次反射光１０とを発生させるとともに、偏光ビームスプリッタ１７を用いて０次反射光１０を一のサブ０次ビーム２１と他のサブ０次ビーム２２とに分割し、一のサブ０次ビーム２１と＋１次回折光８とを重畳し、それをさらにビームスプリッタ４５により分割して干渉信号をそれぞれ得るとともに、他のサブ０次ビーム２２と－１次回折光９とを重畳し、それをさらにビームスプリッタ４５により分割して９０°の位相差を付与し、それぞれ他の干渉信号を得て、これら干渉信号を受光機構で検出する。そして、光学ヘッドとスケール回折格子３との相対変位により変化する複数の干渉信号の位相情報をもとに、スケール変位算出器１２の演算によりレーザ光４の光軸方向の相対変位及びスケール回折格子３の面内方向相対変位による位相変化を分離して評価する。この結果、参照格子を不要とする多軸変位測定装置１及び多軸変位測定方法を提供することができる。

なお、上記各実施の形態では、スケール回折格子３を、Ｙ軸方向に延びる等間隔の１軸パターンを有するものとして、スケール回折格子３のＸ方向変位Δｘ及びＺ方向変位Δｚの検出について説明したが、ＸＹ２軸直交パターンを有するスケール回折格子３を用い、光学系を拡張することで、Ｙ方向の面内方向変位（Δｙ）についても同様に検出可能である。この場合、受光機構としては、多分割フォトダイオード、二次元ＰＳＤ、二次元撮像素子のいずれかが好適に用いられる。

また、十分な強度の干渉信号が得られる場合には、偏光ビームスプリッタを無偏光ビームスプリッタに代えても構わない。

１多軸変位測定装置
３スケール回折格子
４レーザ光源
５レーザ光
６コリメート光生成機構
７コリメート光
８＋１次回折光
９－１次回折光
１００次反射光
１１光学系
１２スケール変位算出器
１５回折光伝播方向制御ユニット
１６波長板
１７ビームスプリッタである偏光ビームスプリッタ
２０干渉ユニット
２１サブ０次ビームである一のサブ０次ビーム
２２サブ０次ビームである他のサブ０次ビーム
２３０次・＋１次回折光重畳ビーム
２４０次・－１次回折光重畳ビーム
２５干渉ビーム生成波長板
２７干渉ビームである０次・＋１次回折光干渉ビーム
２８干渉ビームである０次・－１次回折光干渉ビーム
３０受光機構である０次・＋１次回折光受光機構
３１受光機構である０次・－１次回折光受光機構
３３干渉信号である０次・＋１次回折光干渉信号
３４干渉信号である０次・－１次回折光干渉信号
４５ビームスプリッタである無偏光ビームスプリッタ
４７一の０次・＋１次回折光重畳サブビーム
４８他の０次・＋１次回折光重畳サブビーム
４９一の０次・－１次回折光重畳サブビーム
５０他の０次・－１次回折光重畳サブビーム
５１一の干渉ビーム生成波長板
５２干渉ビームである一の０次・＋１次回折光干渉サブビーム
５３干渉ビームである一の０次・－１次回折光干渉サブビーム
５５受光機構である一の０次・＋１次回折光受光機構
５６受光機構である一の０次・－１次回折光受光機構
５８干渉信号である一の０次・＋１次回折光干渉サブ信号
５９干渉信号である一の０次・－１次回折光干渉サブ信号
６１他の干渉ビーム生成波長板
６２干渉ビームである他の０次・＋１次回折光干渉サブビーム
６３干渉ビームである他の０次・－１次回折光干渉サブビーム
６４位相板
６５受光機構である他の０次・＋１次回折光受光機構
６６受光機構である他の０次・－１次回折光受光機構
６８干渉信号である他の０次・＋１次回折光干渉サブ信号
６９干渉信号である他の０次・－１次回折光干渉サブ信号

Claims

レーザ光源と、
前記レーザ光源から射出したレーザ光を入射するスケール回折格子と、
前記レーザ光を前記スケール回折格子に入射して得られる＋１次回折光及び－１次回折光と０次反射光とをそれぞれ干渉させた干渉ビームを生成する光学系と、
前記干渉ビームをそれぞれ受光して干渉信号をそれぞれ生成する受光機構と、
前記各干渉信号に基づき前記スケール回折格子の多軸変位を演算により算出するスケール変位算出器と、
を具備したことを特徴とする多軸変位測定装置。
前記レーザ光源から射出したレーザ光をコリメート光に整形するコリメート光生成機構を備え、
前記スケール回折格子に入射する入射光は、前記コリメート光である
ことを特徴とする請求項１記載の多軸変位測定装置。
前記光学系は、
前記コリメート光を前記スケール回折格子に入射して得られる＋１次回折光及び－１次回折光をそれぞれ前記コリメート光と平行にする回折光伝播方向制御ユニットと、
前記回折光伝播方向制御ユニットからの＋１次回折光及び－１次回折光と前記スケール回折格子からの０次反射光との偏光方向を制御する波長板と、
前記波長板によって偏光制御された０次反射光、＋１次回折光及び－１次回折光の伝播方向を変えるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより伝播方向を変えられた０次反射光を複数のサブ０次ビームに分割し、＋１次回折光及び－１次回折光との重畳ビームを生成する干渉ユニットと、
前記干渉ユニットにより生成した０次・＋１次回折光重畳ビームと、０次・－１次回折光重畳ビームと、の偏光状態を制御して、前記干渉ビームである０次・＋１次回折光干渉ビームと、前記干渉ビームである０次・－１次回折光干渉ビームと、を生成する干渉ビーム生成波長板と、を有する
ことを特徴とする請求項２記載の多軸変位測定装置。
前記光学系は、
前記コリメート光を前記スケール回折格子に入射して得られる＋１次回折光及び－１次回折光をそれぞれ前記コリメート光と平行にする回折光伝播方向制御ユニットと、
前記回折光伝播方向制御ユニットからの＋１次回折光及び－１次回折光と前記スケール回折格子からの０次反射光との偏光方向を制御する波長板と、
前記波長板によって偏光制御された０次反射光、＋１次回折光及び－１次回折光の伝播方向を変える偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタにより伝播方向を変えられた０次反射光を複数のサブ０次ビームに分割し、＋１次回折光及び－１次回折光と前記サブ０次ビームとの重畳ビームを生成する干渉ユニットと、
前記干渉ユニットにより生成した０次・＋１次回折光重畳ビームと、０次・－１次回折光重畳ビームと、をそれぞれ、一及び他の０次・＋１次回折光重畳サブビームと、一及び他の０次・－１次回折光重畳サブビームと、に２分割するビームスプリッタと、
前記一の０次・＋１次回折光重畳サブビームと、前記一の０次・－１次回折光重畳サブビームと、の偏光状態を制御して、前記干渉ビームである一の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、前記干渉ビームである一の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、を生成する一の干渉サブビーム生成波長板と、
前記他の０次・＋１次回折光重畳サブビームと、前記他の０次・－１次回折光重畳サブビームと、の偏光状態を制御して、前記干渉ビームである他の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、前記干渉ビームである他の０次・＋１次回折光干渉サブビームと、を生成する他の干渉サブビーム生成波長板と、
前記他の０次・＋１次回折光干渉サブビームと前記他の０次・＋１次回折光干渉サブビームとに、前記一の０次・＋１次回折光干渉サブビームと前記一の０次・－１次回折光干渉サブビームとに対して９０°の位相差を付与する位相板と、を有する
ことを特徴とする請求項２記載の多軸変位測定装置。
前記スケール回折格子は、１軸の回折格子パターンを有する
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一記載の多軸変位測定装置。
前記スケール回折格子は、２軸の回折格子パターンを有する
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一記載の多軸変位測定装置。
前記受光機構は、１素子フォトダイオード、一次元ＰＳＤ、一次元撮像素子のいずれかである
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか一記載の多軸変位測定装置。
前記受光機構は、多分割フォトダイオード、二次元ＰＳＤ、二次元撮像素子のいずれかである
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか一記載の多軸変位測定装置。
請求項１乃至８いずれか一記載の多軸変位測定装置を用いて、前記スケール回折格子の多軸変位を測定する
ことを特徴とする多軸変位測定方法。