JP4153234B2 - Light receiving / emitting composite unit, manufacturing method thereof, and displacement detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や半導体製造装置等の可動部分における相対移動位置を検出するための受発光複合ユニット及びその製造方法、変位検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、工作機械や半導体製造装置等の可動部分における相対移動位置を検出する装置として、回折格子を用いた光学式の変位検出装置が知られている。
【0003】
例えば、特開昭60−98302号公報に提案されている従来の光学式変位測定装置を図8及び図9に示す。図8は、この従来の光学式変位測定装置100を模式的に示す斜視図であり、図9は、この従来の光学式変位測定装置100を模式的に示す側面図である。
【0004】
従来の光学式変位測定装置100は、工作機械等の可動部分の移動にともない、図中矢印X1及びX2方向に直線移動する回折格子101と、光を出射する光源102と、光源102から出射された光を2本のビームに分割するとともに回折格子101からの2つの回折光を重ね合わせ干渉させるハーフミラー103と、回折格子101で回折された回折光を反射する2つのミラー104a,104bと、干渉した2つの回折光を光電変換して干渉信号を生成するフォトディテクタ105とを備えている。
【0005】
光源102から出射された光は、ハーフミラー103により2本のビームに分割される。この2本のビームはそれぞれ回折格子101に照射される。回折格子101に照射された2本のビームは、この回折格子101で夫々回折され、回折光となる(以下、この回折光を1回回折光と称する)。この1回回折光は夫々ミラー104a,104bにより反射される。ミラー104a,104bにより反射された1回回折光は、回折格子101に再度照射されて再度回折される(以下、この再度回折された回折光を2回回折光と称する)。これら2本の2回回折光は、同一の光路を経てハーフミラー103に入射され、夫々重ね合わされて干渉し、フォトディテクタ105に照射される。
【0006】
このような従来の光学式変位測定装置100では、回折格子101における図中矢印X1、X2方向の変位を検出することができる。すなわち、光学式変位測定装置100では、回折格子101の移動に応じて、回折格子101に基づく2本の2回回折光に位相差が生じる。このため、この光学式変位測定装置100では、フォトディテクタにより得られる干渉信号から2本の2回回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【0007】
また、特開昭60−98302号公報に提案されている他の従来の光学式変位測定装置を図10及び図11に示す。図10は、従来の光学式変位測定装置110模式的に示す斜視図であり、図11は、従来の光学式変位測定装置110を模式的に示す側面図である。
【0008】
従来の光学式変位測定装置110は、工作機械等の可動部分の移動にともない、図中矢印X1及びX2方向に直線移動する回折格子111と、光を出射する光源112と、光源112から出射された光を2本のビームに分割するとともに回折格子111からの2つの回折光を重ね合わせて干渉させるハーフミラー113と、ハーフミラー113により分割された2本のビームを回折格子上111上の同一位置に照射する2つの第1のミラー114a,114bと、回折格子111で回折された回折光を反射する2つの第2のミラー115a,115bと、干渉した2つの回折光を受光して干渉信号を生成するフォトディテクタ116とを備えている。
【0009】
光源112から出射された光は、ハーフミラー113により2本のビームに分割される。この2本のビームは、それぞれ第1のミラー114a,114bに反射されて回折格子111上の同一位置に照射される。回折格子111に照射された2本のビームは、この回折格子でそれぞれ回折され、1回回折光となる。1回回折光は、それぞれ第2のミラー115a,115bにより反射される。またこの1回回折光は、回折格子111に再度照射されて回折され、2回回折光となる。これら2本の2回回折光は、同一の光路を経てハーフミラー113に入射され重ね合わされて干渉し、フォトディテクタ116に照射される。
【0010】
このような従来の光学式変位測定装置110では、回折格子111における図中矢印X1、X2方向の変位を検出することができる。すなわち、この光学的変位測定装置110では、回折格子111の移動に応じて、回折格子111に基づく2本の2回回折光に位相差が生じる。このため、光学式変位測定装置110では、フォトディテクタ116により得られる干渉信号から2本の2回回折光の位相差を検出することにより、工作機械等の可動部分の移動位置を測定することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光学式変位測定装置は、製造工程において、単独に製作された各光学部品を調整しながら組み立てる必要性があるため、各部品の仕上がり精度や特性のばらつきに対して精密な調整を必要とし、工程が複雑化する上に、装置の経時的な安定性に欠き、また装置全体の小型化、軽量化を図る上で大きな障害となっていた。
【0012】
また、光源から出射する光の偏光軸が、ハーフミラー103、113で1対1に分配される角度になるように調整しなければならず、さらに複雑な工程を余儀なく導入せざるを得ず、また装置内に余分な面積を要するという問題点があった。
【0013】
そこで本発明は上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、経時的安定性に優れ、小型軽量化に適した変位検出装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る受発光複合ユニットは、上述の課題を解決するために、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を、互いに偏光成分が異なる2つの光に分離して外部光学系へ出射し、当該外部光学系から反射される上記2つの光を合成して合成光を生成する偏光ビームスプリッタと、上記偏光ビームスプリッタにより生成された合成光を複数に分割する光分割手段と、上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配設され、上記光源から出射される光の偏光状態を変化させて上記偏光ビームスプリッタへ導く第1の部分と、上記光分割手段と上記偏光手段との間に配設され、上記分割された合成光の偏光状態を夫々変化させる第2の部分とを含む位相板と、上記偏光手段を透過した干渉光を夫々光電変換して干渉信号を生成する受光手段とを備え、上記偏光手段と、上記位相板と、上記光分割手段とを順次積層させて構成することを特徴とする。
【0015】
また本発明に係る受発光複合ユニットの製造方法は、上述の課題を解決するため、発光素子から発光され、また位相板により偏光状態を変化させた光を2つに分離して外部光学系へ出射し、当該外部光学系から反射される上記出射した光を互いに合成させ、当該合成させた光を上記位相板により偏光状態を変化させて受光素子を介して検出する受発光複合ユニットの製造方法において、合成させた光を複数に分割する光分岐層と、上記位相板と、所定の偏光成分のみ透過させる偏光板を順次積層して積層板を形成する工程と、上記形成した積層板を上記受発光ユニット単位で切り出す切出工程と、上記偏光板を透過した光を夫々上記受光素子へ導く複合レンズ部を上記切り出した積層板に夫々接合し、接合した上記複合レンズ部に上記受光素子及び上記発光素子からなる受発光部を接合する接合工程とを有することを特徴とする。
【0016】
更に、本発明に係る変位検出装置は、上述の課題を解決するため、反射型の回折格子が配された被検査物について格子ベクトル方向の変位を干渉信号に基づいて検出する変位検出装置において、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を互いに偏光成分が異なる2つの光に分離して出射する偏光ビームスプリッタと、上記偏光ビームスプリッタから出射された2つの光を上記回折格子の格子面に結像させる結像手段と、上記ビームスプリッタから出射された2つの光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第1の回折光を夫々反射する反射手段と、上記反射手段により反射された上記第1の回折光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第2の回折光を合成させて合成光を生成し、当該合成光を複数に分割する光分割手段と、上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配設され、上記光源から出射される光の偏光状態を変化させて上記偏光ビームスプリッタへ導く第1の部分と、上記光分割手段と上記偏光手段との間に配設され、上記分割された合成光の偏光状態を夫々変化させる第2の部分とを含む位相板と、上記偏光手段を透過した干渉光を夫々光電変換して上記干渉信号を生成する受光手段とを備え、上記偏光手段と、上記位相板と、上記光分割手段とを順次積層させて構成することを特徴とする。
また、本発明に係る変位検出装置は、上述の課題を解決するため、透過型の回折格子が配された被検査物について格子ベクトル方向の変位を干渉信号に基づいて検出する変位検出装置において、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を互いに偏光成分が異なる2つの光に分離して出射する偏光ビームスプリッタと、上記ビームスプリッタから出射された2つの光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第1の回折光を夫々反射する反射手段と、上記反射手段により反射された上記第1の回折光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第2の回折光を合成させて合成光を生成し、当該合成光を複数に分割する光分割手段と、上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配設され、上記光源から出射される光の偏光状態を変化させて上記偏光ビームスプリッタへ導く第1の部分と、上記光分割手段と上記偏光手段との間に配設され、上記分割された合成光の偏光状態を夫々変化させる第2の部分とを含む位相板と、上記偏光手段を透過した干渉光を夫々光電変換して上記干渉信号を生成する受光手段とを備え、上記偏光手段と、上記位相板と、上記光分割手段とを順次積層させて構成することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明を適用した第1の実施の形態の変位検出装置について説明する。
【0018】
本発明の第1の実施の形態における変位検出装置10は、図1に示すように、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動する透過型の回折格子11と、
発光素子により発光された光を2つの光La1,La2に分離して出射し、回折格子11により回折された2つの2回回折光Lc1,Lc2を互いに干渉させて干渉信号を検出する受発光複合ユニット12と、受発光複合ユニット12から出射された2つの光La1,La2を回折格子11に照射するとともに、回折格子11からの2つの2回回折光Lc1、Lc2を受発光複合ユニット12へ導く反射部材13a、13bと、回折格子11からの2つの1回回折光Lb1、Lb2を反射して再度回折格子11に照射する反射光学系14とを備えている。
【0019】
回折格子11は、図2に示すように、例えば薄板状の形状を有しており、その表面に狭いスリットや溝等、または屈折率が分布した格子が所定間隔毎に刻まれている。このような回折格子11に入射された光は、表面に刻まれたスリット等により回折し、該回折格子11を透過する。回折により生じる回折光は、格子の間隔と光の波長で定まる方向に発生する。
【0020】
ここで発明の実施の形態を説明するにあたり、格子が形成されている回折格子11の面を、格子面11aと称する。なお、回折格子11が透過型の場合には、光が入射される面と回折光が発生する面とをともに格子面11aと呼ぶ。また、回折格子11の格子が形成された方向(図2中矢印C1、C2方向)、すなわち、格子の透過率や反射率、溝の深さ等の変化の方向を表す格子ベクトルに対して垂直な方向であって且つ格子面11aに平行な方向を格子方向と称する。格子が形成された方向に垂直な方向であり、且つ格子面11aに平行な方向(図3中矢印D1、D2方向)、すなわち、回折格子11の格子ベクトルに対して平行な方向を格子ベクトル方向と称する。なお、これら回折格子11の各方向については、本発明の第1の実施の形態のみならず、他の実施の形態においても同様に称するものとする。
【0021】
この回折格子11は、工作機械等の可動部分に取り付けられ、該可動部分の移動にともなって、図2中矢印D1、D2方向、すなわち格子ベクトル方向に移動する。
【0022】
なお、本発明では回折格子の種類は限定されず、上述したように機械的に溝等が形成されたもののみならず、例えば、感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成したものであっても良い。
【0023】
反射部材13aは、光La1を反射して回折格子11の格子面11aの所定の位置に照射する。この光La1が回折格子11により回折されることにより1回回折光Lb1が得られる。反射部材13bは、光La2を反射して、回折格子11の格子面11aの所定の位置に照射する。この光La2が回折格子11により回折されることにより1回回折光Lb2が得られる。
【0024】
また反射部材13aには、1回回折光Lb1が回折格子11により回折されることにより生じる2回回折光Lc1が照射される。反射部材13aは、この2回回折光Lc1を反射して受発光複合ユニット12に照射する。また反射部材13bには、1回回折光Lb2が回折格子11により回折されることにより生じる2回回折光Lc2が照射される。反射部材13bは、この2回回折光Lc2を反射して受発光複合ユニット12に照射する。
【0025】
ちなみに、この反射部材13aにより回折格子11の格子面11aに照射する所定の位置と、反射部材13bにより回折格子11の格子面11aに照射する所定の位置とを近づけても良い。これにより、回折格子11内の厚みムラ等によって生じる光路長の差を小さくすることができ、スケールの厚みムラ等による誤差を軽減させることができる。
【0026】
反射光学系14は、1回回折光Lb1を反射して再度回折格子11に照射する反射器26と、1回回折光Lb2を反射して再度回折格子11に照射する反射器27と、1回回折光Lb1の偏光状態を変える1/4波長板WP1と、1回回折光Lb2の偏光状態を変える1/4波長板WP2とを有する。
【0027】
反射器26には、1/4波長板WP1を通過した1回回折光Lb1が照射される。反射器26は、この1回回折光Lb1が入射経路と同じ経路を逆行するように、該1回回折光Lb1を垂直に反射する。ちなみに、この反射器26に照射される1回回折光Lb1は、1/4波長板WP1を既に通過しており、またこの反射器26を反射する1回回折光Lb1は1/4波長板WP1を再度通過するため、偏光方向が90°回転された状態で、再度回折格子11へ照射されることになる。
【0028】
反射器27には、1/4波長板WP2を通過した1回回折光Lb2が照射される。反射器27は、この1回回折光Lb2が入射経路と同じ経路を逆行するように、該1回回折光Lb2を垂直に反射する。ちなみに、この反射器27に照射される1回回折光Lb2は、1/4波長板WP2を既に通過しており、またこの反射器27を反射する1回回折光Lb2は1/4波長板WP2を再度通過するため、偏光方向が90°回転された状態で、再度回折格子11へ照射されることになる。
【0029】
なおこの反射光学系14は、上述した構成に限定されるものではなく、例えば、反射プリズムを用いて構成しても良い。図3は、反射光学系14に反射プリズムを用いた変位検出装置10の構成を示している。この図3において、図1と同一の構成要素、部材については説明を省略する。
【0030】
反射プリズム30には、1/4波長板WP31が順次積層されている。この反射プリズム30の反射面30aには、1/4波長板WP31を通過した1回回折光Lb1、Lb2が照射される。反射面30aは、この1回回折光Lb1、Lb2が入射経路と同じ経路を逆行するように、当該1回回折光Lb1、Lb2を垂直に反射する。ちなみに、の反射面30aに照射される1回回折光Lb1,Lb2は、1/4波長板WP31を既に通過しており、またこの反射面30aを反射する1回回折光Lb1,Lb2は、1/4波長板WP31を再度通過するため、偏光方向が90°回転された状態で、再度回折格子11へ照射されることになる。
【0031】
次に、受発光複合ユニット12の詳細について説明をする。受発光複合ユニット12は、図4に示すように発光素子や受光素子を収容する収容部材40と、複数のレンズ(41a,41_1,41_2,41_3,41_4)からなる複合レンズ部41と、所定の偏光成分のみを透過させる偏光部42(42_1、42_2、42_3、42_4)と、光の偏光状態を変化させる位相板43と、回折格子11に照射する光を分割し或いは回折格子11を回折することより得られる2回回折光Lc1、Lc2を分離するための光分岐部44とを備える。
【0032】
収容部材40は、光Laを出射する光源51と、後述する干渉光を光電変換して干渉信号を生成する受光素子52(52_1、52_2、52_3、52_4)と、光源51を設置して電気信号を印加し或いは反射面53aにより光路制御を行うための半導体基板53と、受光素子を設置して電気信号を取り出すための半導体基板54とを有する。
【0033】
光分岐部44は、光源51から出射された光Laを2つの光La1、La2に分割して出射するとともに、反射部材13a,13bからの2回回折光Lc1、Lc2を合成させて合成光Ldを生成する偏光分離部58と、偏光分離部58から照射される合成光Ldを合成光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4に分割する光分岐膜59_1、59_2、59_3、59_4とを有する。
【0034】
光源51は、レーザ光等の可干渉光を発光する素子である。なお、この光源51は、例えば可干渉距離の小さいレーザ光を発光するマルチモードの半導体レーザ等であっても良い。
【0035】
受光素子52は、受光面に対して照射された光を、その光量に応じた電気信号に変換する光電変換素子であり、例えば、フォトディテクタ等からなるものである。この受光素子52は、受光面に対して照射された各干渉光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4を受光して、その光量に応じた干渉信号を生成する。
【0036】
受光素子52により光電変換されて得られた干渉信号は、半導体基板54を介して図示しない位置検出部により検出される。この図示しない位置検出部は、得られた干渉信号に基づいて位相差を求め、回折格子11の相対移動位置を示す位置信号を出力する。
【0037】
複合レンズ部41は、所定の開口数を有するレンズ等の光学素子からなるものである。レンズ41aには、光源51から出射された光Laが入射される。レンズ41aは、入射された光Laを所定のビーム径で回折格子11の格子面11aや、反射器26、27に結像させることができる。この第1の実施の形態においては、透過型の回折格子11を採用しているため、出射する光Laは通常反射器26、27に結像させる。このため、格子面11a上において照射されるビーム径を大きくすることができ、格子面11a上のゴミや傷の影響を軽減させることが可能となる。またこのような、外部に出射する光、受光する光のビーム径を共に制御する複合レンズ部41を同一パッケージ内に配置することにより、集積度を高めることができ、また作製工程を簡略化でき、装置全体の信頼性を高めることができる。
【0038】
またレンズ41_1,41_2,41_3,41_4には、偏光部42から出射された干渉光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4がそれぞれ入射される。レンズ41_1,41_2,41_3,41_4は、入射された各干渉光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4を受光素子52_1,52_2,52_3,52_4に結像させる。その結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はない。またこの複合レンズ部41は、上述のように複数のレンズを連ねた構造に限定されるものではなく、例えば、上述のレンズ41a,41_1,41_2,41_3,41_4を一体として1つのレンズで構成しても良い。また、この複合レンズ部41を構成する各レンズは、ビームを収束させる場合のみならず、例えば平行光を出射させたり、或いは発散光を出射するようにしても良い。
【0039】
偏光部42_1、42_2、42_3、42_4は、位相板43から入射された各合成光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4について所定の偏光成分のみを透過させ、干渉光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4としてレンズ部41へ出射する。各偏光部42は45°間隔(例えば5°、50°、95°、140°)に配置されていれば足り、偏光部42の取り付け時の姿勢について制約を受けずに配置することができる。なお、このような偏光部42を位相板43と複合レンズ部41の間に設けることにより、ユニット全体をコンパクトな構成にすることができる利点もある。
【0040】
位相板43は、偏光部42と、光分岐部44の間に挟み込まれるように積層される。この位相板43は、例えば1/4波長板からなり、円偏光と直線偏光間の変換を行う。ちなみにこの位相板43は、光源51からレンズ41aを介して光Laが入射される。位相板43は、例えば直線偏光である光Laを円偏光に変換して偏光分離部58へ照射する。また、この位相板43は、光分岐膜59_1、59_2、59_3、59_4から出射された合成光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4を受けて円偏光に変換し、上述した偏光部42へ出射する。すなわち、光源51からの光Laの変換と光分岐膜59からの光Ldの変換とを1つの位相板43により共用する構成を採用する。
【0041】
偏光分離部58は、例えば偏光ビームスプリッタ等からなり、光源51から出射された光Laが位相板43を介して入射される。この偏光分離部58は、入射された光Laの一部を反射して光La1を生成し、入射された光Laの一部を透過して光La2を生成する。なおこの偏光分離部58は、光La1,La2を、偏光成分が直交するS偏光とP偏光に分割しても良い。この場合光La1はS偏光と光となり、また光La2は、P偏光の光となる。またこの偏光分離部58には、回折格子11からの2回回折光Lc1及び2回回折光Lc2が入射される。偏光分離部58は、2つの2回回折光Lc1、Lc2を重ね合わせて合成させ、該合成光Ldを光分岐膜59へ出射する。
【0042】
光分岐膜59_1、59_2、59_3、59_4の各反射率は、夫々1/4,1/3,1/2,1に設定されている(すなわち、光分岐膜59_4は全反射面となっている)。このため、入射された合成光Ldをほぼ同一の光量で、合成光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4に分割することが可能となる。
【0043】
なお受発光複合ユニット12には、上述した収容部材40と、複合レンズ部41と、偏光部42と、位相板43と、光分岐部44が、同一パッケージ内に配設され独立ユニットとして構成される。またこれらの各部材は、夫々積層されて一体となるように構成されている。
【0044】
すなわち受発光複合ユニット12は、各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、変位検出装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。また、各部材を同一の収容部材内に収納することにより、環境変化や経時変化の影響を軽減させることができ、調整時のずれ等を最小限に抑えることができ、ひいては受発光複合ユニット12全体の信頼性を高めることができる。
【0045】
次に本発明を適用した第1の実施の形態の変位検出装置10の動作例について説明をする。
【0046】
先ず光源51から出射された光Laは、例えば図4に示すように半導体基板53の反射面53aにより反射されてレンズ41aへ照射される。光Laは、このレンズ41aにより像変換され、例えば1/4波長板からなる位相板43へ照射される。
【0047】
位相板43へ照射された光Laは、該位相板43により円偏光に変化させられる。すなわち、位相板43を介して出射される直線偏光の光Laは、光源51から出射される光の偏光方向の如何によらず、円偏光に変化させることができる。これにより、光源51から出射される光の偏光成分を従来技術の如く、光源51から出射する光の偏光成分を偏光分離部58に対してほぼ45°にすることなく、自由に選択することも可能となる。
【0048】
位相板43を出射された光Laは、偏光分離部58により例えばS偏光とP偏光の光La1、La2に分離され、反射部材13a,13bを介して、回折格子11へ入射させる。ちなみにこの回折格子11における光La1の入射角をθa、光La2の入射角をθb、また1回回折光Lb1の回折角をθa´、1回回折光Lb2の回折角をθb´としたとき、以下の式(11)、(12)が成立する。
sinθa+sinθa´=mλ/d (11)
sinθb+sinθb´=mλ/d (12)
d:回折格子のピッチ
λ:光の波長
m:回折次数
1回回折光Lb1、Lb2はそれぞれ反射器26、27を垂直に反射する。このとき、1回回折光Lb1、Lb2は、1/4波長板WP1、WP2を2回通過するため、偏光方向は夫々90°回転させられる。このため、元々S偏光であった1回回折光Lb1はP偏光に変換され、また元々P偏光であった1回回折光Lb2は、S偏光に変換される。
【0049】
次に、反射器26、27を夫々反射した1回回折光Lb1、Lb2は、再度回折格子11により回折されて2回回折光Lc1、Lc2となり、同一の光路を経て再度偏光分離部58へ到達する。偏光分離部58では、このP偏光である2回回折光Lc1と、S偏光である2回回折光Lc2とを重ね合わせて合成させ、合成光Ldを生成する。
【0050】
合成光Ldは光分岐膜59_1、59_2、59_3、59_4を介してLd1,Ld2,Ld3,Ld4に分割される。この分割された合成光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4は、夫々位相板43に照射される。このとき2回回折光Lc1、Lc2は、互いに逆周りの円偏光になる。この合成光Ldを特定の偏光成分のみ透過する偏光板を通じて受光すると、この合成光Ldについて、重ね合わせた2つの2回回折光Lc1、Lc2の振幅をA1、A2とし、回折格子11の格子ベクトル方向への移動量をx、初期位相をδとし、またK=2π/d(dは格子ピッチ)として、1回目、2回目の回折で夫々1次の回折光を利用した場合は、特定の偏光成分を取り出すと以下の(13)式のような干渉信号Iが得られる。
I=A12+A22+2・A1・A2cos(4・K・x+δ) (13)
この干渉信号Iは、回折格子11が格子ベクトル方向へd/4移動することにより1周期分変化する。δは、重ね合わせた2つの2回回折光Lc1、Lc2の光路長の差に依存する量である。
【0051】
この位相板43を出射した各合成光Ld1、Ld2、Ld3、Ld4は、夫々偏光部42により、所定の偏光成分のみ透過させられる。各偏光部42は、夫々45°間隔になるように設定されているが、本例では偏光部42_1は0°の偏光方向のみ透過させるようにし、また偏光部42_2は45°の偏光方向のみ透過させるようにし、また偏光部42_3は、90°の偏光方向のみ透過させるようにし、さらに偏光部42_4は、135°の偏光方向のみ透過させるようにする。このとき各偏光部42を透過した干渉光Ld1、Ld2、Ld3、Ld4の強度は、夫々以下の式(21)〜(24)で表される。
B+Acos(4・K・x+δ) (21)
B+Acos(4・K・x+90°+δ) (22)
B+Acos(4・K・x+180°+δ) (23)
B+Acos(4・K・x+270°+δ) (24)
B=1/4(A12+A22)
A=1/2・A1・A2
式(21)は、偏光部42_1を透過した干渉光Ld1の強度を表した式であり、式(22)は、偏光部42_2を透過した干渉光Ld2の強度を表した式であり、式(23)は、偏光部42_3を透過した干渉光Ld3の強度を表した式であり、式(24)は、偏光部42_4を透過した干渉光Ld4の強度を表した式である。これらの式で表される干渉光Ld1は、レンズ41_1,41_2,41_3,41_4を介して、受光素子52_1,52_2,52_3,52_4に結像される。すなわち各受光素子52は、上述の式で表される干渉光Ldを光電変換して干渉信号を生成することとなる。
【0052】
式(21)と式(23)とを減算すると、干渉信号の直流成分を除去することができる。また式(22)と式(24)とを減算すると、干渉信号の直流成分を除去することができる。また減算された信号は、互いに位相が90°異なるため、回折格子に移動方向を検知するための信号を得ることができる。
【0053】
このように、本発明を適用した変位検出装置10では、位相板43が偏光部42と、光分岐部44の間に挟み込まれるように積層される。この位相板43は、直線偏光である光Laを円偏光に変換して偏光分離部58へ照射することができる。これにより、従来の如く光源51から出射する光Laの偏光成分を偏光分離部58に対してほぼ45°になるように光源51を配置することなく、自由に選択することも可能となる。これに伴い、受発光ユニット12において部品配置に余分な面積を要するという問題点を解消し、よりコンパクトな構成にすることができる。またこの位相板43は、光分岐膜59_1、59_2、59_3、59_4から出射された合成光Ld1,Ld2,Ld3,Ld4を受けて偏光方向が回転する直線偏光に変換し、上述した偏光部42へ出射することができる。これにより各偏光部42の偏光方向を図5に示す上から見た図のように45°間隔(例えば50°、5°、140°、95°)にすれば足り、偏光部42の取り付け時における制約を緩和させることができ、ひいては製造工程を簡略化や製造コストの削減を図ることも可能となる。またこの位相板43は、光源51からの光Laの変換と光分岐膜59からの光Ldの変換とを1つの位相板43により共用する構成を採用するため、寸法管理や容易となり更なる製造コストの削減を図ることも可能となる。
【0054】
次に本発明を適用した第2の実施の形態の変位検出装置について説明する。第1の実施の形態における変位検出装置10と同一の構成要素、部材については同一の番号を付して説明を引用し、本実施の形態における説明を省略する。
【0055】
本発明の第2の実施の形態における変位検出装置70は、図6に示すように、工作機械等の可動部分に取り付けられ直線移動する反射型の回折格子71と、発光素子により発光された光を2つの光La1,La2に分離して出射し、回折格子71により回折された2つの2回回折光Lc1,Lc2を互いに干渉させて干渉信号を検出する受発光複合ユニット12と、受発光複合ユニット12から出射された2つの光La1,La2を回折格子71に照射するとともに、回折格子71からの2つの2回回折光Lc1、Lc2を受発光複合ユニット12へ導く反射部材73a、73bと、回折格子71からの2つの1回回折光Lb1、Lb2を反射して再度回折格子71に照射する反射光学系74とを備えている。
【0056】
回折格子71は、例えば薄板状の形状を有しており、その表面に狭いスリットや溝等、または屈折率が分布した格子が所定間隔毎に刻まれている。このような回折格子71に入射された光は、表面に刻まれたスリット等により回折し、該回折格子71を反射する。回折により生じる回折光は、格子の間隔と光の波長で定まる方向に発生する。
【0057】
なお、本発明では回折格子の種類は限定されず、上述したように機械的に溝等が形成されたもののみならず、例えば、感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成したものであっても良い。
【0058】
反射部材73aは、光La1を反射して回折格子71の格子面71aの所定の位置に照射する。この光La1が回折格子71により回折されることにより1回回折光Lb1が得られる。反射部材73bは、光La2を反射して、回折格子71の格子面71aの所定の位置に照射する。この光La2が回折格子71により回折されることにより1回回折光Lb2が得られる。
【0059】
また反射部材73aには、1回回折光Lb1が回折格子71により回折されることにより生じる2回回折光Lc1が照射される。反射部材73aは、この2回回折光Lc1を反射して受発光複合ユニット12に照射する。また反射部材73bには、1回回折光Lb2が回折格子71により回折されることにより生じる2回回折光Lc2が照射される。反射部材73bは、この2回回折光Lc2を反射して受発光複合ユニット12に照射する。
【0060】
ちなみに、この反射部材73aにより回折格子71の格子面71aに照射する所定の位置と、反射部材73bにより回折格子71の格子面71aに照射する所定の位置とが、同一位置になるように結像させる。このときビーム径は、格子面71a上のゴミや傷の影響を受けないような大きさが望ましい。またこの結像点は、必ずしもビーム径が最小となる点とする必要はなく、ビームの像内での光路長の差が最小となる点が格子面71a上に位置するようにしても良い。
【0061】
反射光学系74は、1回回折光Lb1を反射して再度回折格子71に照射する反射器76と、1回回折光Lb2を反射して再度回折格子71に照射する反射器77と、1回回折光Lb1の偏光状態を変える1/4波長板WP71と、1回回折光Lb2の偏光状態を変える1/4波長板WP72とを有する。
【0062】
反射器76には、1/4波長板WP71を通過した1回回折光Lb1が照射される。反射器76は、この1回回折光Lb1が入射経路と同じ経路を逆行するように、該1回回折光Lb1を垂直に反射する。ちなみに、この反射器76に照射される1回回折光Lb1は、1/4波長板WP71を既に通過しており、またこの反射器76を反射する1回回折光Lb1は1/4波長板WP71を再度通過するため、偏光方向が90°回転された状態で、再度回折格子71へ照射されることになる。
【0063】
反射器77には、1/4波長板WP72を通過した1回回折光Lb2が照射される。反射器77は、この1回回折光Lb2が入射経路と同じ経路を逆行するように、該1回回折光Lb2を垂直に反射する。
【0064】
反射器77には、1/4波長板WP72を通過した1回回折光Lb2が照射される。反射器77は、この1回回折光Lb2が入射経路と同じ経路を逆行するように、該1回回折光Lb2を垂直に反射する。ちなみに、この反射器77に照射される1回回折光Lb2は、1/4波長板WP72を既に通過しており、またこの反射器77を反射する1回回折光Lb2は1/4波長板WP72を再度通過するため、偏光方向が90°回転された状態で、再度回折格子71へ照射されることになる。
【0065】
この第2の実施の形態における受発光複合ユニット12の詳細と、第2の実施の形態における動作例は、第1の実施の形態の説明を引用する。
【0066】
すなわち、反射型の回折格子71を用いる第2の実施の形態に係る変位検出装置70は、受発光複合ユニット12における各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、変位検出装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。また各部材を同一の収容部材内に収納することにより、環境変化や経時変化の影響を軽減させることができ、調整時のずれ等を最小限に抑えることができ、ひいては受発光複合ユニット12全体の信頼性を高めることができる。
【0067】
また、第2の実施の形態においても、光源51からの光Laの変換と光分岐膜59からの光Ldの変換とを1つの位相板43により共用する構成を採用するため、寸法管理や容易となり更なる製造コストの削減を図ることが可能となる。
【0068】
次に、本発明を適用した受発光複合ユニット12の作製方法について図7を用いて説明をする。
【0069】
先ず、ステップS11において、複数の光分岐部44を連ねた光分岐部44層と、複数の受発光複合ユニット12の面積分の位相板43と、複数の偏光部42を連ねた偏光部42層を作製する。そして光分岐部44層と、上記位相板43と、偏光部42層を順次積層して積層板81を作製する。この積層板81を作製する際には、偏光部42層の上に位相板43を積層し、さらにその上に光分岐部44層を積層しても良いし、また光分岐部44層の上に位相板43を積層し、さらにその上に偏光部42層を設けても良い。
【0070】
次にステップS12へ移行し、作製した積層板81をスライスして複数に分割する。このステップS12において分割した個々の積層板はそれぞれ1個分の受発光複合ユニット12に相当する。
【0071】
次にステップS13へ移行し、分割した個々の積層板81毎に、複合レンズ部41を接合し、さらにその接合した複合レンズ部41に収容部材40を接合する。
【0072】
すなわち、本発明を適用した受発光複合ユニット12の作製工程では、最初に加工しやすい大きさの光学部品を張り合わせ、後からスライスして個々の受発光複合ユニット12を構成する大きさまで分割し、最後に複合レンズ部41と、収容部材40を張り合わせて完成させるため、生産工程をより簡単にすることができ、製造コストを削減させることができる。
【0073】
特に本発明に係る受発光複合ユニット12は、各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、小型化、軽量化を図れる点に利点がある。このため、上述の製造工程を採用することができ、さらなる小型、低価格化等を実現することができる。
【0074】
以上、本発明を適用した第1〜第2の実施の形態の変位検出装置を説明した。各実施の形態の変位検出装置では、格子が所定の間隔で平行に設けられた回折格子11、71を用いているが、本発明では、このような格子が平行に設けられた回折格子を用いなくても良い。例えばロータリエンコーダ等放射状の格子が設けられた回折格子を用いて角度検出をするようにしても良い。
【0075】
また、本発明では、明暗を記録した振幅型の回折格子、屈折率変化や形状変化を記録した位相型の回折格子を用いても良く、その回折格子のタイプは限定されるものではない。
【0076】
また、各実施の形態の変位検出装置では、回折格子11,71を工作機械等の可動部分に取り付けて、この回折格子11が可動部分の移動に応じて移動する場合について説明したが、本発明では、回折格子11,71と、変位検出装置とが相対的に移動すれば良いことは勿論である。
【0077】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る変位検出装置及び受発光複合ユニットは、位相板が偏光部と光分岐部の間に挟み込まれるように積層される。この位相板は、直線偏光である光を円偏光に変換して偏光分離部へ照射することができる。これにより、従来の如く光源から出射する光の偏光成分を偏光分離部に対してほぼ45°になるように光源を配置することなく、自由に選択することも可能となる。これに伴い、受発光ユニット12において部品配置に余分な面積を要するという問題点を解消し、よりコンパクトな構成にすることができる。またこの位相板は、光分岐膜から出射された合成光を受けて、上述した偏光部へ出射することができる。これにより各偏光部の偏光方向を45°間隔にすれば足り、偏光部の取り付け時における制約を緩和させることができ、ひいては製造工程を簡略化や製造コストの削減を図ることも可能となる。またこの位相板は、光源からの光の変換と光分岐膜からの光の変換とを1つの位相板により共用する構成を採用するため、寸法管理や容易となり更なる製造コストの削減を図ることも可能となる。
【0078】
また、本発明に係る変位検出装置は、各部材をパッケージ化して一体構造とすることにより、精密な位置調整が容易になり、また部品の配置スペースを大きくとる必要がなくなり、変位検出装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。また、各部材を同一の収容部材内に収納することにより、環境変化や経時変化の影響を軽減させることができ、調整時のずれ等を最小限に抑えることができ、ひいては装置全体の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る変位検出装置の構成を説明するための図である。
【図2】変位検出に用いる回折格子の斜視図である。
【図3】反射光学系に反射プリズムを用いる場合について説明するための図である。
【図4】受発光複合ユニットの構成図である。
【図5】受発光複合ユニットを上下面から描いた図である。
【図6】反射型の回折格子を用いる変位検出装置について説明するための図である。
【図7】受発光複合ユニットの作製方法について説明するための図である。
【図8】従来の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図9】従来の光学式変位測定装置の側面図である。
【図10】従来の他の光学式変位測定装置の斜視図である。
【図11】従来の他の光学式変位測定装置の側面図である。
【符号の説明】
10 変位検出装置、11 回折格子、12 受発光複合ユニット、13 反射部材、14 反射光学系、26,27 反射器、WP1,WP2 1/4波長板、40 収容部材、41 複合レンズ部、42 偏光部、43 位相板、44 光分岐部、51 光源、52 受光素子、53,54 半導体基板、58 偏光分離部、59 光分岐膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light receiving / emitting composite unit for detecting a relative movement position in a movable part such as a machine tool or a semiconductor manufacturing apparatus, a manufacturing method thereof, and a displacement detection apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an optical displacement detection device using a diffraction grating is known as a device for detecting a relative movement position in a movable part such as a machine tool or a semiconductor manufacturing apparatus.
[0003]
For example, a conventional optical displacement measuring device proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-98302 is shown in FIGS. FIG. 8 is a perspective view schematically showing this conventional optical
[0004]
The conventional optical
[0005]
The light emitted from the
[0006]
Such a conventional optical
[0007]
FIG. 10 and FIG. 11 show another conventional optical displacement measuring device proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-98302. 10 is a perspective view schematically showing a conventional optical
[0008]
The conventional optical
[0009]
The light emitted from the
[0010]
Such a conventional optical
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned conventional optical displacement measuring device needs to be assembled while adjusting each optical component manufactured independently in the manufacturing process, so that precise adjustment is made for variations in finish accuracy and characteristics of each component. In addition, the process is complicated, the stability of the apparatus over time is lacking, and it has become a major obstacle to reducing the overall size and weight of the apparatus.
[0012]
In addition, the polarization axis of the light emitted from the light source must be adjusted so that the
[0013]
Accordingly, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a displacement detection device that has excellent temporal stability and is suitable for reduction in size and weight.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the light receiving / emitting composite unit according to the present invention separates the light source that emits light and the light emitted from the light source into two light components having different polarization components from each other. Polarizing beam splitter that generates combined light by combining the two light beams emitted from the external optical system and reflected from the external optical systemAnd aboveA light splitting means for splitting the combined light generated by the polarizing beam splitter into a plurality of parts, and a polarizing means for transmitting the split combined light only with predetermined polarization components,A first portion disposed between the light source and the polarization beam splitter, and changing the polarization state of the light emitted from the light source to guide the light to the polarization beam splitter; and the light splitting means and the polarization means A phase plate that is disposed between and includes a second portion that changes the polarization state of the divided combined light, respectively.A light receiving means for photoelectrically converting the interference light transmitted through the polarizing means to generate an interference signal.The polarizing means, the phase plate, and the light splitting means are sequentially laminated.It is characterized by.
[0015]
In addition, in order to solve the above-described problem, the method for manufacturing a light emitting / receiving composite unit according to the present invention separates light emitted from the light emitting element and whose polarization state has been changed by the phase plate into two to an external optical system. A method of manufacturing a light receiving and emitting composite unit that emits and combines the emitted light reflected from the external optical system and detects the synthesized light through a light receiving element while changing a polarization state by the phase plate The step of forming a laminated plate by sequentially laminating the light splitting layer that divides the combined light into a plurality of layers, the phase plate, and a polarizing plate that transmits only a predetermined polarization component; A cutting process for cutting out in units of light receiving and emitting units, and a composite lens part for guiding light transmitted through the polarizing plate to the light receiving element, respectively, are joined to the cut laminated plate, and the light receiving element is joined to the joined composite lens part. And characterized by having a bonding step of bonding the light receiving and emitting unit comprised of the light emitting element.
[0016]
Furthermore,In order to solve the above-described problem, a displacement detection device according to the present invention is a displacement detection device that detects a displacement in the grating vector direction of an inspection object provided with a reflective diffraction grating based on an interference signal. A light source that emits light and a polarization beam splitter that separates and emits light emitted from the light source into two lights having different polarization componentsAnd aboveAn imaging means for forming an image of two lights emitted from the polarizing beam splitter on the grating surface of the diffraction grating, and two second lights obtained by diffracting the two lights emitted from the beam splitter by the diffraction grating. Reflective means for reflecting each diffracted light of 1 and two second diffracted lights obtained by diffracting the first diffracted light reflected by the reflecting means by the diffraction grating to generate combined light And a light splitting means for splitting the combined light into a plurality of parts, and a polarizing means for transmitting only the predetermined polarization components of the split combined light,A first portion disposed between the light source and the polarization beam splitter, and changing the polarization state of the light emitted from the light source to guide the light to the polarization beam splitter; and the light splitting means and the polarization means A phase plate that is disposed between and includes a second portion that changes the polarization state of the divided combined light, respectively.A light receiving means for photoelectrically converting the interference light transmitted through the polarization means to generate the interference signal.The polarizing means, the phase plate, and the light splitting means are sequentially laminated.It is characterized by.
Moreover, the displacement detection apparatus according to the present invention solves the above-described problems,In a displacement detection apparatus for detecting a displacement in a grating vector direction based on an interference signal with respect to an inspection object having a transmission type diffraction grating, polarization components of the light source that emits light and the light emitted from the light source are mutually different. A polarizing beam splitter that divides and emits two different lights, and a reflecting means that reflects the two first diffracted lights obtained by diffracting the two lights emitted from the beam splitter by the diffraction grating, respectively; Light splitting that synthesizes two second diffracted lights obtained by diffracting the first diffracted light reflected by the reflecting means by the diffraction grating to generate composite light, and divides the composite light into a plurality of parts Means, a polarizing means for transmitting the divided combined light only with a predetermined polarization component, and a light source disposed between the light source and the polarizing beam splitter, and for the light emitted from the light source. A first portion that changes the light state and guides it to the polarization beam splitter, and a second portion that is disposed between the light splitting means and the polarization means and changes the polarization state of the split combined light, respectively. And a light receiving means for photoelectrically converting the interference light transmitted through the polarization means to generate the interference signal, and the polarization means, the phase plate, and the light splitting means. It is characterized by being sequentially laminated.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a displacement detection apparatus according to a first embodiment to which the present invention is applied will be described.
[0018]
As shown in FIG. 1, a
The light emitting / receiving composite that detects the interference signal by separating the light emitted by the light emitting element into two light La1 and La2 and emitting the light, and causing the two two-time diffracted lights Lc1 and Lc2 diffracted by the
[0019]
As shown in FIG. 2, the
[0020]
Here, in describing the embodiment of the invention, the surface of the
[0021]
The
[0022]
In the present invention, the type of the diffraction grating is not limited, and it is not limited to those in which grooves or the like are mechanically formed as described above. For example, the diffraction grating may be formed by baking interference fringes on a photosensitive resin. good.
[0023]
The reflecting
[0024]
The reflecting
[0025]
Incidentally, the predetermined position where the reflecting
[0026]
The reflection optical system 14 includes a
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
The reflective optical system 14 is not limited to the above-described configuration, and may be configured using, for example, a reflective prism. FIG. 3 shows a configuration of the
[0030]
A quarter wavelength plate WP31 is sequentially stacked on the reflecting
[0031]
Next, details of the light emitting / receiving
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
The light receiving element 52 is a photoelectric conversion element that converts the light irradiated to the light receiving surface into an electric signal corresponding to the light amount, and includes, for example, a photodetector. The light receiving element 52 receives the interference lights Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 irradiated to the light receiving surface, and generates an interference signal corresponding to the light quantity.
[0036]
An interference signal obtained by photoelectric conversion by the light receiving element 52 is detected by a position detection unit (not shown) via the
[0037]
The
[0038]
Further, the interference lights Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 emitted from the
[0039]
The polarization units 42_1, 42_2, 42_3, and 42_4 transmit only a predetermined polarization component of each of the combined lights Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 incident from the
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
The reflectivities of the light branch films 59_1, 59_2, 59_3, and 59_4 are set to 1/4, 1/3, 1/2, and 1, respectively (that is, the light branch film 59_4 is a total reflection surface). ). For this reason, it is possible to divide the incident combined light Ld into combined light Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 with substantially the same amount of light.
[0043]
In the light emitting / receiving
[0044]
That is, the light emitting / receiving
[0045]
Next, an operation example of the
[0046]
First, the light La emitted from the
[0047]
The light La irradiated to the
[0048]
The light La emitted from the
sin θa + sin θa ′ = mλ / d (11)
sin θb + sin θb ′ = mλ / d (12)
d: Pitch of the diffraction grating
λ: Wavelength of light
m: diffraction order
The one-time diffracted beams Lb1 and Lb2 vertically reflect the
[0049]
Next, the one-time diffracted lights Lb1 and Lb2 reflected by the
[0050]
The combined light Ld is divided into Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 through the light branch films 59_1, 59_2, 59_3, and 59_4. The divided combined lights Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 are irradiated to the
I = A12+ A22+2 · A1 · A2 cos (4 · K · x + δ) (13)
The interference signal I changes by one period when the
[0051]
Each of the combined lights Ld1, Ld2, Ld3, and Ld4 emitted from the
B + Acos (4 ・ K ・ x + δ) (21)
B + Acos (4 · K · x + 90 ° + δ) (22)
B + Acos (4 · K · x + 180 ° + δ) (23)
B + Acos (4 · K · x + 270 ° + δ) (24)
B = 1/4 (A12+ A22)
A = 1/2 ・ A1 ・ A2
Expression (21) is an expression representing the intensity of the interference light Ld1 transmitted through the polarizing section 42_1, and Expression (22) is an expression representing the intensity of the interference light Ld2 transmitted through the polarizing section 42_2. 23) is an expression representing the intensity of the interference light Ld3 transmitted through the polarizing section 42_3, and Expression (24) is an expression representing the intensity of the interference light Ld4 transmitted through the polarizing section 42_4. The interference light Ld1 represented by these equations is focused on the light receiving elements 52_1, 52_2, 52_3, and 52_4 via the lenses 41_1, 41_2, 41_3, and 41_4. That is, each light receiving element 52 generates an interference signal by photoelectrically converting the interference light Ld represented by the above formula.
[0052]
By subtracting Equation (21) and Equation (23), the DC component of the interference signal can be removed. Further, by subtracting Equation (22) and Equation (24), the DC component of the interference signal can be removed. Further, since the subtracted signals are 90 ° out of phase with each other, a signal for detecting the moving direction can be obtained by the diffraction grating.
[0053]
As described above, in the
[0054]
Next, a displacement detection apparatus according to a second embodiment to which the present invention is applied will be described. The same components and members as those of the
[0055]
As shown in FIG. 6, the displacement detection device 70 according to the second embodiment of the present invention includes a reflective diffraction grating 71 that is attached to a movable part such as a machine tool and moves linearly, and light emitted by a light emitting element. Are separated into two lights La1 and La2, and the two light diffracted lights Lc1 and Lc2 diffracted by the diffraction grating 71 are caused to interfere with each other to detect an interference signal, Reflecting
[0056]
The diffraction grating 71 has, for example, a thin plate shape, and narrow slits, grooves, or the like having a refractive index distributed on its surface are inscribed at predetermined intervals. The light incident on the diffraction grating 71 is diffracted by a slit or the like carved on the surface and reflected by the diffraction grating 71. Diffracted light generated by diffraction is generated in a direction determined by the interval between the gratings and the wavelength of the light.
[0057]
In the present invention, the type of the diffraction grating is not limited, and it is not limited to those in which grooves or the like are mechanically formed as described above. For example, the diffraction grating may be formed by baking interference fringes on a photosensitive resin. good.
[0058]
The reflection member 73a reflects the light La1 and irradiates it to a predetermined position on the grating surface 71a of the diffraction grating 71. The light La1 is diffracted by the diffraction grating 71, whereby the one-time diffracted light Lb1 is obtained. The reflecting
[0059]
Further, the reflection member 73a is irradiated with the twice-diffracted light Lc1 generated by diffracting the one-time diffracted light Lb1 by the diffraction grating 71. The reflection member 73a reflects the two-time diffracted light Lc1 and irradiates the light receiving / emitting
[0060]
Incidentally, the image is formed such that the predetermined position irradiated to the grating surface 71a of the diffraction grating 71 by the reflecting member 73a and the predetermined position irradiated to the grating surface 71a of the diffraction grating 71 by the reflecting
[0061]
The reflection optical system 74 includes a
[0062]
The
[0063]
The
[0064]
The
[0065]
The details of the light emitting / receiving
[0066]
In other words, the displacement detection device 70 according to the second embodiment using the reflective diffraction grating 71 can be easily adjusted precisely by packaging each member in the light emitting / receiving
[0067]
Also in the second embodiment, the configuration in which the conversion of the light La from the
[0068]
Next, a method for manufacturing the light emitting / receiving
[0069]
First, in step S11, a
[0070]
Next, it transfers to step S12 and slices the produced
[0071]
Next, the process proceeds to step S <b> 13, where the
[0072]
That is, in the manufacturing process of the light emitting / receiving
[0073]
In particular, the light emitting / receiving
[0074]
In the above, the displacement detection apparatus of the 1st-2nd embodiment to which this invention is applied was demonstrated. In the displacement detection device of each embodiment, the
[0075]
In the present invention, an amplitude type diffraction grating in which brightness and darkness are recorded and a phase type diffraction grating in which changes in refractive index and shape are recorded may be used, and the type of the diffraction grating is not limited.
[0076]
In the displacement detection device of each embodiment, the
[0077]
【The invention's effect】
As described above in detail, the displacement detection device and the light emitting / receiving composite unit according to the present invention are stacked such that the phase plate is sandwiched between the polarization unit and the light branching unit. This phase plate can convert light that is linearly polarized light into circularly polarized light and irradiate the polarized light separating unit. As a result, it is possible to freely select the polarization component of the light emitted from the light source as in the prior art without arranging the light source so that the polarization component is approximately 45 ° with respect to the polarization separation unit. Along with this, the problem that an extra area is required for component placement in the light emitting / receiving
[0078]
In addition, the displacement detection device according to the present invention is packaged so that the components are integrated into a single structure, thereby facilitating precise position adjustment and eliminating the need for a large arrangement space for the components. A reduction in size and weight can be achieved. In addition, by housing each member in the same housing member, it is possible to reduce the effects of environmental changes and changes over time, minimizing deviations during adjustment, and thus the reliability of the entire device. Can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a displacement detection apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a diffraction grating used for displacement detection.
FIG. 3 is a diagram for explaining a case where a reflecting prism is used in the reflecting optical system.
FIG. 4 is a configuration diagram of a light receiving / emitting composite unit.
FIG. 5 is a diagram depicting a light emitting / receiving composite unit from above and below.
FIG. 6 is a diagram for explaining a displacement detection device using a reflection type diffraction grating.
FIG. 7 is a diagram for explaining a manufacturing method of a light emitting / receiving composite unit.
FIG. 8 is a perspective view of a conventional optical displacement measuring device.
FIG. 9 is a side view of a conventional optical displacement measuring device.
FIG. 10 is a perspective view of another conventional optical displacement measuring device.
FIG. 11 is a side view of another conventional optical displacement measuring device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
上記光源から出射された光を、互いに偏光成分が異なる2つの光に分離して外部光学系へ出射し、当該外部光学系から反射される上記2つの光を合成して合成光を生成する偏光ビームスプリッタと、
上記偏光ビームスプリッタにより生成された合成光を複数に分割する光分割手段と、
上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、
上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配設され、上記光源から出射される光の偏光状態を変化させて上記偏光ビームスプリッタへ導く第1の部分と、上記光分割手段と上記偏光手段との間に配設され、上記分割された合成光の偏光状態を夫々変化させる第2の部分とを含む位相板と、
上記偏光手段を透過した干渉光を夫々光電変換して干渉信号を生成する受光手段とを備え、
上記偏光手段と、上記位相板と、上記光分割手段とを順次積層させて構成すること
を特徴とする受発光複合ユニット。A light source that emits light;
Polarized light that separates the light emitted from the light source into two lights having different polarization components, emits the light to an external optical system, and combines the two lights reflected from the external optical system to generate combined light A beam splitter ,
A light dividing means which divides the combined light generated by the above Kihenko beam splitter into a plurality,
Polarization means for transmitting only the predetermined polarization component of each of the divided combined light, and
A first portion disposed between the light source and the polarization beam splitter, and changing the polarization state of the light emitted from the light source to guide the light to the polarization beam splitter; and the light splitting means and the polarization means A phase plate that is disposed between and includes a second portion that changes the polarization state of the divided combined light, respectively.
E Bei a light receiving means for generating an interference signal by converting each photoelectric interference light transmitted through the polarizing means,
A light receiving / emitting composite unit comprising the polarizing unit, the phase plate, and the light splitting unit sequentially laminated .
を特徴とする請求項1記載の受発光複合ユニット。The light receiving / emitting composite unit according to claim 1, wherein the phase plate is a quarter wave plate.
を特徴とする請求項2記載の受発光複合ユニット。The light-receiving / emitting composite unit according to claim 2, wherein the polarization means transmits the polarization component of the divided combined light at intervals of 45 °.
合成させた光を複数に分割する光分岐層と、上記位相板と、所定の偏光成分のみ透過させる偏光板を順次積層して積層板を形成する工程と、
上記形成した積層板を上記受発光ユニット単位で切り出す切出工程と、
上記偏光板を透過した光を夫々上記受光素子へ導く複合レンズ部を上記切り出した積層板に夫々接合し、接合した上記複合レンズ部に上記受光素子及び上記発光素子からなる受発光部を接合する接合工程とを有すること
を特徴とする受発光複合ユニットの製造方法。The light emitted from the light emitting element and the light whose polarization state has been changed by the phase plate is separated into two and emitted to the external optical system, and the emitted light reflected from the external optical system is combined with each other, and the combined In the manufacturing method of the light receiving and emitting composite unit that detects the light that has been changed through the light receiving element by changing the polarization state by the phase plate,
A step of sequentially laminating a light splitting layer that divides the combined light into a plurality of layers, the phase plate, and a polarizing plate that transmits only a predetermined polarization component;
A cutting step of cutting the formed laminate plate in units of the light emitting and receiving units;
A composite lens portion for guiding light transmitted through the polarizing plate to the light receiving element is bonded to the cut laminated plate, and a light receiving / emitting portion including the light receiving element and the light emitting element is bonded to the bonded composite lens portion. A process for producing a light receiving / emitting composite unit.
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を互いに偏光成分が異なる2つの光に分離して出射する偏光ビームスプリッタと、
上記偏光ビームスプリッタから出射された2つの光を上記回折格子の格子面に結像させる結像手段と、
上記ビームスプリッタから出射された2つの光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第1の回折光を夫々反射する反射手段と、
上記反射手段により反射された上記第1の回折光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第2の回折光を合成させて合成光を生成し、当該合成光を複数に分割する光分割手段と、
上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、
上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配設され、上記光源から出射される光の偏光状態を変化させて上記偏光ビームスプリッタへ導く第1の部分と、上記光分割手段と上記偏光手段との間に配設され、上記分割された合成光の偏光状態を夫々変化させる第2の部分とを含む位相板と、
上記偏光手段を透過した干渉光を夫々光電変換して上記干渉信号を生成する受光手段とを備え、
上記偏光手段と、上記位相板と、上記光分割手段とを順次積層させて構成すること
を特徴とする変位検出装置。In a displacement detection device that detects displacement in the grating vector direction for an inspection object provided with a reflective diffraction grating, based on an interference signal,
A light source that emits light;
A polarization beam splitter that separates and emits the light emitted from the light source into two lights having different polarization components ;
Two light emitted from the upper Kihenko beam splitter and focusing means for focusing the lattice plane of the diffraction grating,
Reflecting means for reflecting the two first diffracted lights obtained by diffracting the two lights emitted from the beam splitter by the diffraction grating, respectively;
Light splitting that synthesizes two second diffracted lights obtained by diffracting the first diffracted light reflected by the reflecting means by the diffraction grating to generate composite light, and divides the composite light into a plurality of parts Means,
Polarization means for transmitting only the predetermined polarization component of each of the divided combined light, and
A first portion disposed between the light source and the polarization beam splitter, and changing the polarization state of the light emitted from the light source to guide the light to the polarization beam splitter; and the light splitting means and the polarization means A phase plate that is disposed between and includes a second portion that changes the polarization state of the divided combined light, respectively.
The interference light transmitted through the polarizing means converts each photoelectric example Bei the light receiving means for generating the interference signal,
A displacement detection device comprising: the polarizing means, the phase plate, and the light splitting means stacked in order .
を特徴とする請求項5記載の変位検出装置。6. The displacement detection device according to claim 5 , wherein the phase plate is a quarter-wave plate.
を特徴とする請求項5記載の変位検出装置。The phase plate is further disposed between said light splitting means and said polarizing means, the polarization state of the divided composite light by respective changes in claim 5, wherein the leading to the polarizing means Displacement detector.
を特徴とする請求項5記載の変位検出装置。The light source, the polarizing beam splitter, the phase plate, the imaging means, the light splitting means, the polarizing means, and the light receiving means are arranged in the same package and configured as an independent unit. The displacement detection device according to claim 5 .
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を互いに偏光成分が異なる2つの光に分離して出射する偏光ビームスプリッタと、
上記ビームスプリッタから出射された2つの光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第1の回折光を夫々反射する反射手段と、
上記反射手段により反射された上記第1の回折光が上記回折格子により回折されて得られる2つの第2の回折光を合成させて合成光を生成し、当該合成光を複数に分割する光分割手段と、
上記分割された合成光を夫々所定の偏光成分のみ透過させる偏光手段と、
上記光源と上記偏光ビームスプリッタの間に配設され、上記光源から出射される光の偏光状態を変化させて上記偏光ビームスプリッタへ導く第1の部分と、上記光分割手段と上記偏光手段との間に配設され、上記分割された合成光の偏光状態を夫々変化させる第2の部分とを含む位相板と、
上記偏光手段を透過した干渉光を夫々光電変換して上記干渉信号を生成する受光手段とを備え、
上記偏光手段と、上記位相板と、上記光分割手段とを順次積層させて構成すること
を特徴とする変位検出装置。In a displacement detection device that detects displacement in the direction of a grating vector based on an interference signal for an inspection object on which a transmission type diffraction grating is arranged,
A light source that emits light;
A polarization beam splitter that separates and emits the light emitted from the light source into two lights having different polarization components ;
Upper SL and reflecting means two light emitted from the beam splitter is respectively reflected two first diffracted light obtained is diffracted by the diffraction grating,
Light splitting that synthesizes two second diffracted lights obtained by diffracting the first diffracted light reflected by the reflecting means by the diffraction grating to generate composite light, and divides the composite light into a plurality of parts Means,
Polarization means for transmitting only the predetermined polarization component of each of the divided combined light, and
Disposed between the upper Symbol light source and the polarization beam splitter, a first portion by changing the polarization state of light emitted from the light source leads to the polarization beam splitter, and said light splitting means and said polarizing means A phase plate including a second portion disposed between the second portions for changing the polarization state of the divided combined light, and
The interference light transmitted through the polarizing means converts each photoelectric example Bei the light receiving means for generating the interference signal,
A displacement detection device comprising: the polarizing means, the phase plate, and the light splitting means stacked in order .
を特徴とする請求項9記載の変位検出装置。The displacement detection device according to claim 9 , wherein the phase plate is a ¼ wavelength plate.
を特徴とする請求項9記載の変位検出装置。The phase plate is further disposed between said light splitting means and said polarizing means, the polarization state of the divided composite light by respective changes in claim 9, wherein the lead to the polarizing means Displacement detector.
を特徴とする請求項9記載の変位検出装置。The light source, the polarizing beam splitter, the phase plate, the light splitting means, the polarizing means, and the light receiving means are arranged in the same package and configured as an independent unit. Item 10. The displacement detection device according to Item 9 .
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