JP4593625B2 - 角度測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学系を利用した被測定物の角度の測定装置及び測定方法に関するものである。

光学系を利用した従来の角度の測定方法としては、たとえばビーム光の傾きを用いて角度を測定する光てこ方式がある。これは、被測定物に取り付けられたミラーにレーザビームを入射したとき、ミラーがθ傾くと反射光の偏角が２θになることを利用したものである。

図１４は、従来の光てこ方式を用いた角度測定装置の模式構成図である。図１４において、光源５０１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ５０２で反射した後、１／４波長板５０３を透過し、コリメータレンズ５０４で平行光となり、被測定物５０５に照射される。被測定物５０５で反射した反射光は、コリメータレンズ５０４で集光され、１／４波長板５０３を通過し、ビームスプリッタ５０２を透過して受光素子５０６に結像する。

以上の構成により、受光素子５０６における結像位置に応じて被測定物５０５の角度が測定される。例えば、コリメータレンズ５０４の光軸Ｓと被測定物５０５とのなす角度が０のとき、すなわち、被測定物５０５の平坦面５０５ａが、光軸Ｓに対して略垂直に配置されているときの結像位置が予め分かっていれば、その結像位置と測定した位置との相対関係から被測定物５０５の角度が測定される。

このような光てこ方式の角度測定方法としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示された方法がある。

特開２００１−１３３２３２号公報 特開２００３−０８３７３１号公報

しかしながら、このような従来の構成では、被測定物の角度が大きくなると被測定物で反射したレーザ光が受光素子に入射しないため、角度を測定できないという課題を有している。例えば、受光素子の受光面を大きく、もしくは、受光素子を移動可能として、その可動範囲を広くすることで、角度が大きくなっても測定することは可能である。しかしながら、検査、測定機構を光学素子近傍に多数有する光学系の装置では、より小さい機構で、かつより可動範囲の小さい機構でこれらを実現する方法が切望されている。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにある。そのために、光学系を利用した被測定物の角度測定において、広範囲の角度を高い分解能を持って小さな機構あるいは可動範囲の小さな機構で被測定物の角度を測定する角度測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、光源と、
受光素子と、
上記光源より出射された光をその光軸に平行な平行光とするコリメータレンズと、
上記光軸上に配置され、上記平行光を透過させるとともに、異なる次数の光に回折させる透過型回折格子と、
上記透過型回折格子に対向するように配置された被測定物の平坦面にて反射された回折光を、上記透過型回折格子を透過させた後に上記受光素子に結像させる光学系と、
上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記光軸に対する上記被測定物の角度を測定する測定装置と、
上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を回転させる回転装置と、
上記回転装置による上記被測定物の回転位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を有し、上記被測定物の回転位置情報及び上記次数特定情報により結像した光の次数を特定する制御装置と、を備える、角度測定装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記回転装置は、上記透過型回折格子を中心とした円弧に沿って上記被測定物を回転させる装置である、第１態様に記載の角度測定装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記回転装置は、上記被測定物の内部に配置された回転中心周りに、上記被測定物を回転させる装置である、第１態様に記載の角度測定装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、光源と、
受光素子と、
上記光源より出射された光をその光軸に平行な平行光とするコリメータレンズと、
上記光軸上に配置され、上記平行光を透過させるとともに、異なる次数の光に回折させる透過型回折格子と、
上記透過型回折格子に対向するように配置された被測定物の平坦面にて反射された回折光を、上記透過型回折格子を透過させた後に上記受光素子に結像させる光学系と、
上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記光軸に対する上記被測定物の角度を測定する測定装置と、
上記被測定物の平坦面と上記透過型回折格子との間に配置され、上記それぞれの次数の回折光のうちの一部を通過させる光通過部を有し、他の上記回折光を遮光する光透過部付き遮光部材と、
上記光軸に交差する方向における上記遮光部材と上記透過型回折格子とを相対移動させる移動装置と、
上記移動装置による上記遮光部材の相対移動位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を有し、上記遮光部材の相対移動位置情報及び上記次数特定情報により上記回折光の次数を特定する制御装置と、を備える、角度測定装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記移動装置は、上記透過型回折格子を中心とした円弧に沿って、上記遮光部材を移動させる装置である、第４態様に記載の角度測定装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記遮光部材における上記光通過部はスリット状開口部であって、上記透過型回折格子を透過する上記平行光の幅と同じ幅のスリットが形成されている、第４態様に記載の角度測定装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、光源と、
受光素子と、
上記光源より出射された光をその光軸に平行な平行光とするコリメータレンズと、
上記光軸上及び被測定物の平坦面上において上記コリメータレンズに対向するように配置され、照射される平行光を異なる次数の光に回折させて反射する反射型回折格子と、
上記反射された回折光を上記受光素子に結像させる光学系と、
上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記光軸に対する上記被測定物の角度を測定する測定手段と、
上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を回転させる回転装置と、
上記回転装置による上記被測定物の回転位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を有し、上記被測定物の回転位置情報及び上記次数特定情報により結像した光の次数を特定する制御装置と、を備える、角度測定装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、上記コリメータレンズの焦点距離をｆとし、上記レンズから出射された上記平行光の波長をλとし、上記回折格子の溝部の間隔ピッチをｄとし、上記回折光の特定の次数をｍとし、上記受光素子上における上記光軸と上記結像位置との距離をｌとすると、上記被測定物の上記レンズの光軸に対する角度φを、数１を用いて算出する角度算出部をさらに備える、第１態様または第４態様に記載の角度測定装置を提供する。

本発明の第９態様によれば、平行光を回折格子に透過させるとともに、上記回折格子にて異なる次数の光に回折し、
上記回折された光を被測定物の平坦面にて反射し、
上記反射された回折光を上記回折格子に透過させた後に受光素子に結像させ、
上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記平行光の光軸に対する上記被測定物の角度を測定するに際し、
上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を相対移動させ、上記被測定物の相対移動位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、上記取得された上記被測定物の相対移動位置情報及び上記次数特定情報により上記結像した光の次数を特定する、角度測定方法を提供する。

本発明の第１０態様によれば、上記光軸に対する上記被測定物の相対移動は、上記回折格子を中心とした円弧に沿って上記被測定物を移動させる、第９態様に記載の角度測定方法を提供する。

本発明の第１１態様によれば、上記光軸に対する上記被測定物の相対移動は、上記被測定物の内部に配置された回転中心周りに上記被測定物を回転させる、第９態様に記載の角度測定方法を提供する。

本発明の第１２態様によれば、被測定物の平坦面上に配置された回折格子に対して照射された平行光を反射させるとともに、上記回折格子にて異なる次数の光に回折し、
上記反射された回折光を集光して受光素子に結像させ、
上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記平行光の光軸に対する上記被測定物の角度を測定するに際し、
上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を相対移動させ、上記被測定物の相対移動位置情報と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、上記取得された上記被測定物の相対移動位置情報及び上記次数特定情報により上記結像した光の次数を特定する、角度測定方法を提供する。

本発明の第１３態様によれば、上記光軸と上記被測定物の平坦面とが垂直に配置された状態で０次の上記回折光を結像させた後、上記平坦面と上記回折格子とを相対移動させ、次数が一つ増加した上記回折光を順次結像させて上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させ、上記被測定物の相対移動位置と上記結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、
上記次数特定情報及び上記被測定物の相対移動位置情報により上記結像した光の次数を特定する、第９〜１２態様のいずれか１態様に記載の角度測定方法を提供する。

本発明の第１４態様によれば、平行光を回折格子に透過させるとともに、上記回折格子にて異なる次数の光に回折し、
上記回折された光を被測定物の平坦面にて反射し、
上記反射された回折光を上記回折格子に透過させた後に受光素子に結像させ、
上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記平行光の光軸に対する上記被測定物の角度を測定するに際し、
上記被測定物の平坦面と上記回折格子との間に配置され、上記それぞれの次数の回折光のうちの一部を通過させる光通過部を有し、他の上記回折光を遮光する光透過部付き遮光部材を、上記回折格子に対して上記光軸に交差する方向に移動させて、上記それぞれの次数の回折光を順次受光素子に結像させて、上記遮光部材の相対移動位置と、上記受光素子上に結像した回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、
上記取得された次数特定情報及び上記遮光部材の相対移動位置情報により上記結像した回折光の次数を特定する、角度測定方法を提供する。

本発明の第１５態様によれば、上記回折格子に対する上記遮光部材の相対移動は、上記回折格子を中心として円弧に沿って上記遮光部材を移動させる、第１４態様に記載の角度測定方法を提供する。

本発明の第１６態様によれば、上記平行光の形成、並びに上記特定の次数の回折光の集光及び結像は、コリメータレンズを用いて行われ、
上記コリメータレンズの焦点距離をｆとし、上記レンズから出射された上記平行光の波長をλとし、上記回折格子の溝部の間隔ピッチをｄとし、上記回折光の特定の次数をｍとし、上記光軸と上記結像位置との距離をｌとすると、上記被測定物の上記光軸に対する角度φを、数２を用いて算出する、第９態様または第１４態様に記載の角度測定方法を提供する。

本発明の角度測定装置及び方法によれば、被測定物に照射される平行光を、回折格子を用いて異なる次数の回折光に分岐させ、当該分岐された回折光を被測定物に照射させる。それと共に、その反射光を集光して結像させている。そのため、被測定物が広範囲な角度を有していても、小さな機構あるいは可動範囲の小さい機構で被測定物の角度を測定することができる。具体的には、従来の光てこ方式で測定可能な範囲は±数″〜数°であるのに対し、本発明の角度測定装置及び方法では、±数十°の範囲で測定を行うことができる。

本発明の記述においては、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる角度測定装置１０の模式的な構成図である。

図１に示すように、角度測定装置１０は、レーザ光を出射する光源１と、このレーザ光の出射方向を光軸Ｓ沿いの方向とするようにレーザ光を反射するビームスプリッタ２と、光軸Ｓ上においてビームスプリッタ２に隣接配置され、レーザ光を透過する１／４波長板３と、被測定物５からの反射光がコリメータレンズ４により集光されて結像される受光素子６とを備えている。また、図１に示すように、光軸Ｓ上における透過型回折格子７の図示上方には、透過型回折格子７と対向するように配置された平坦面５ａを有する被測定物５が配置されている。なお、光軸Ｓは、例えば、ビームスプリッタ２、１／４波長板３、コリメータレンズ４、透過型回折格子７、及び受光素子６の中心に位置され、光軸Ｓが光源１におけるレーザ光の出射光軸Ｔと略直交するように、それぞれの構成部の配置が決定されている。本第１実施形態の角度測定装置１０は、光軸Ｓに対する被測定物５の配置角度を、被測定物５における平坦面５ａの角度を測定することにより測定する装置である。

ここで、透過型回折格子７の模式的な斜視図を図２に示す。図２に示すように、透過型回折格子７は、大略板状に形成されるとともに、その図示上面側に複数の直線状の溝部７ａが形成され、その図示下面側が略平坦な面となるように形成されている。また、透過型回折格子７は、光透過性の光学材料にて形成され、透過される光が、それぞれの溝部７ａの表面を通過する際に、異なる次数の光へと回折させる機能を有している。なお、図１に示すように、大略板状の透過型回折格子７は、光軸Ｓと略垂直となるように、すなわち、コリメータレンズ４よりの平行光が略垂直に入射されるように配置されている。

このような構成を有する図１の角度測定装置１０において、光源１より出射されたレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ２で図示上方側に向けて光軸Ｓに沿うように反射され、１／４波長板３を透過する。１／４波長板３を透過した光は、コリメータレンズ４で平行光Ｌ２にされ、平行光Ｌ２と垂直になるように設置された透過型回折格子７に入射する。透過型回折格子７により、平行光Ｌ２は異なる次数の回折光Ｄに分岐され、被測定物５の平坦面５ａに照射される。被測定物５の平坦面５ａで反射した回折光Ｄの大部分は透過型回折格子７に入射することなく散乱してしまうが、被測定物５の平坦面５ａで反射したそれぞれの次数の回折光Ｄのうち少なくともひとつの次数の光Ｄは透過型回折格子７に再び入射する。この光Ｄは、透過型回折格子７で再度回折され、コリメータレンズ４で集光され、１／４波長板３とビームスプリッタ２を透過して、受光素子６に結像する。なお、このように、光源１より出射されたレーザ光Ｌ１が、ビームスプリッタ２、１／４波長版３、コリメータレンズ４、透過型回折格子７、被測定物５、透過型回折格子７、コリメータレンズ４、１／４波長板３、及びビームスプリッタ２を経由して、最終的に回折光Ｄとして受光素子６に結像されるように、それぞれの構成部が所定の位置関係に配置されることで光学系Ｗが構成されている。

ここで、このような構成の本第１実施形態の角度測定装置１０の構成をさらに詳細に示す模式的な構成図を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａは、角度測定装置１０におけるＸＺ平面を示す模式的な構成図であり、図３Ｂは、ＹＺ平面を示す模式的な構成図である。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、互いに直交するように配置されており、光軸ＳがＺ軸に沿って配置されている。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、角度測定装置１０には、被測定物５を保持する保持装置１５が備えられている。この保持装置１５は、被測定物５を保持するシャフト１６と、このシャフト１６を回転駆動させることで、光軸Ｓ（すなわちＺ軸）に対する被測定物５の傾斜角度を変化させるモータ１７とを備えている。なお、図３Ｂに示すように、シャフト１６の回転中心は、例えば、透過型回折格子７の中心と略一致するようにＹ軸に沿って配置されている。また、この保持装置１５が、回転装置あるいは移動装置の一例となっている。

また、図３Ｂに示すように、角度測定装置１０においては、受光素子６に結像される回折光の結像位置情報を受光素子６より取得し、後述するような手法により被測定物５の角度を算出する、すなわち角度を測定する測定装置の一例である角度算出部１２と、後述する角度算出処理を行うために回折光の次数を特定する次数特定情報を記憶して保持する記憶部１３とを有する。それと共に、光源１によるレーザ光の照射動作、及び保持装置１５のモータ１７の駆動動作の制御を行う制御装置９が備えられている。

このような構成の角度測定装置１０の具体的な寸法例について図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。ビームスプリッタ２の寸法は、図３ＡのＸ軸方向に２０ｍｍ、Ｚ軸方向に３０ｍｍである。光源１とビームスプリッタ２との間の距離、および受光素子６とビームスプリッタ２との間の距離は共に１０ｍｍである。受光素子６とコリメータレンズ４との間の距離は３００ｍｍである。コリメータレンズ４の有効径は１０ｍｍであり、コリメータレンズ４の焦点距離ｆはｆ＝３００である。コリメータレンズ４と透過型回折格子７との間の距離は１０ｍｍである。回折格子７のＸ軸方向の幅は２０ｍｍであり、透過型回折格子７のピッチ、すなわち透過型回折格子７におけるそれぞれの溝部７ａの間隔ピッチは３７μｍである。透過型回折格子７と被測定物５との間の距離は１００ｍｍである。

次に、本第１実施形態の角度測定装置１０において、受光素子６の結像位置の情報を用いて被測定物５の角度を算出する手法について、具体的に説明する。なお、このような角度の算出処理は、制御装置９が備える角度算出部１２により行われる。当該説明にあたって、透過型回折格子７において平行光が回折される様子を示す模式的な説明図を図４に示す。

図４に示すように、光源１から出射されたレーザ光が平行光Ｌ２として透過型回折格子７に入射されると、平行光Ｌ２は、異なる次数の複数の回折光Ｄに分岐する。このときのｍ次の回折光Ｄ_ｍの角度は、数式（１）により表すことができる。

sinθ_ｍ＝ｍ（λ／ｄ） （ｍ＝０，±１，±２，・・・） ・・・（１）

ここで、θ_ｍはｍ次の回折光の角度であり、λはレーザ光（平行光）の波長、ｄは透過型回折格子７のピッチであり、ｍは整数である。なお、図４においては、０次の回折光をＤ_０、１次の回折光をＤ_１、２次の回折光をＤ_２、−２次の回折光をＤ_−２、ｍ次の回折光をＤ_ｍにて表している。

図５は、本第１実施形態の角度測定装置１０における被測定物５への入射光（回折光）と反射光の関係を示す模式的な説明図である。

図５に示すように、ｍ次の回折光Ｄ_ｍが被測定物５の平坦面５ａで反射したとき、入射光Ｄ_ｍの角度をθ_ｍ、反射光Ｄ_ｍ’の角度をθ_ｍ’、被測定物５への入射角をαとすると、反射の法則より、θ_ｍ’−θ_ｍ＝２αという関係が成り立つ。また、被測定物５の角度をφとすると、φ＝θ_ｍ＋αで表されるので、αに前述の式を代入することで、φ＝（θ_ｍ＋θ_ｍ’）／２という関係を得ることができる。ここで、ｍについては角度計測開始時にコリメータレンズ４の光軸と被測定物５の平坦面５ａとが垂直な状態で測定した次数ｍが０（ゼロ）となる状態をゼロ点に合わせ、そこから被測定物５を保持装置１５により回転させることで、次の次数を順次カウントすることによって求めることができる。すなわち、保持装置１５により被測定物５を回転させて、それぞれの次数の回折光Ｄ_ｍが受光素子６にて結像される（例えば、受光素子６の基準位置にて結像される）際における保持装置１５による被測定物５の回転位置の情報を取得する。それにより、それぞれの回折光の次数ｍと、被測定物５の回転位置情報とを関連付けることができる。このように関連付けられた情報が次数特定情報となり、制御装置９において予め取得されて、記憶部１３において読み出し可能に保持されている。例えば、被測定物５の角度を測定する際に、被測定物５を保持している保持装置１５における回転位置情報が、制御装置９に入力され、角度算出部１２にてこの回転位置情報に関連する次数特定情報を記憶部１３から読み取ることにより、受光素子６にて結像される回折光の次数を特定することができる。

図３Ｂの角度測定装置１０のように、被測定物５の回転中心、すなわち保持装置１５の回転中心が回折格子７に位置する場合は、被測定物５の平坦面５ａが２０ｍｍ以上の幅を有していれば、確実に反射光を測定できると考えられる。

これに対して、図６Ａ及び図６Ｂに示す本第１実施形態の変形例にかかる角度測定装置２０のように、保持装置２５の回転中心が被測定物５の内部に位置されるような構成が採用される場合（すなわち、被測定物５が自転する場合）においては、被測定物５の平坦面５ａを大きく取る必要がある。これは、平坦面５ａが小さいと、それぞれの次数における回折光Ｄ_ｍを確実に反射させることができなくなるためである。なお、図６Ａ及び図６Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに対応する図となっており、同じ構成部には同じ参照符号を付すことでその説明を省略している。

図７は、本第１実施形態の角度測定装置１０において、被測定物５よりの反射光が透過型回折格子７にて回折される様子を示す模式的な説明図である。

図７において、被測定物５での反射光Ｄ_ｍ’が透過型回折格子７に入射し、再び回折した後のｎ次回折光Ｅ_ｎの角度をψ_ｎとすると、θ_ｍ’とψ_ｎの関係は、ｓｉｎθ_ｍ’−ｓｉｎψ_ｎ ＝ ｎ（λ／ｄ）で表される。ここで、受光素子６の大きさと焦点距離から、十分な角度の分解能をもって計測するためには、受光素子６に入射するレーザ光はψ_ｎ≒０であり、かつ、θ_ｍ’≒θ_ｍとなる必要がある。この関係と前述の式を用いるとｍ≒ｎとなり、ｎを求めることができる。また、ψ_ｎについては、コリメータレンズ４の焦点距離をｆ、受光素子６上の結像位置のゼロ点（光軸Ｓの位置）からのずれをｌとすると、ｔａｎψ_ｎ＝ｌ／ｆで求めることができる。

以上の式をまとめることにより、被測定物５の角度φは、数式（２）により測定することができる。

φ＝｛ｓｉｎ^−１（ｍ（λ／ｄ））＋ｓｉｎ^−１（ｍ（λ／ｄ）＋ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（ｌ／ｆ）））｝／２ ・・・（２）

上記数式（２）で、ｍ＝０とすれば、従来の光てこ方式と同様になる。このとき受光素子６の位置ｌをｌ_ｍｉｎ≦ｌ≦ｌ_ｍａｘとすると、従来の光てこ方式で計測できる角度の範囲φは、数式（３）に示すようになる。

ｔａｎ^−１（ｌ_ｍｉｎ／ｆ）／２≦φ≦ｔａｎ^−１（ｌ_ｍａｘ／ｆ）／２ ・・・（３）

これに対し、本第１実施形態係る角度測定装置１０では、±ｍ次の回折光Ｄ_ｍまで用いるため、計測できる角度の範囲φは、数式（４）に示すようになる。

｛ｓｉｎ^−１（−ｍ（λ／ｄ））＋ｓｉｎ^−１（−ｍ（λ／ｄ）＋ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（ｌ_ｍｉｎ／ｆ）））｝／２≦φ≦｛ｓｉｎ^−１（ｍ（λ／ｄ））＋ｓｉｎ^−１（ｍ（λ／ｄ）＋ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（ｌ_ｍａｘ／ｆ）））｝／２ ・・・（４）

従って、本第１実施形態の角度測定装置１０によれば、従来の光てこ方式と同等の分解能を保ちながら、かつ、従来の光てこ方式では測定できなかった広範囲な角度を、透過型回折格子７を用いることで測定することできる。また、このような装置構成においては、装置の大型化を図る必要がなく、コンパクトな装置を提供することができる。

ここで、具体的な数値例を用いて、被測定物５の角度を算出する。例えば、波長λ＝７８０ｎｍのレーザ光Ｌ１と、ピッチｄ＝５０μｍの透過型回折格子７、焦点距離ｆ＝０．５ｍｍのコリメータレンズ４を用い、受光素子６で受光した光の次数を測定した結果が＋３次の回折光であり、０次の回折光が結像された位置からｌ＝１ｍｍ離れた位置で結像された場合を考える。この場合は、数式（２）より、被測定物５の角度φは、３６．４７０６度と求まる。なお、回折光の次数の特定は、保持装置１５の回転位置情報が制御装置９に入力され、角度算出部１２が上記回転位置情報に関連する次数特定情報を記憶部１３から読み出すことにより行われる。さらに、角度算出部１２は、受光素子６より入力される結像位置情報と、特定された次数とに基づいて、数式（２）を用いて被測定物５の角度を算出する。

したがって、この数式（２）を用いれば、被測定物５の角度が約３６度と求まる。

なお、本第１実施形態の角度測定装置１０は、上述したような構成にのみ限定されることなく、その他種々の変形例を考えることが可能である。

例えば、上述の説明においては、被測定物５がＹ軸周りに回転されてその角度が測定されるような場合について説明したが、被測定物５がＹ軸周り及びＸ軸周りに回転されるような場合であってもその角度を測定することは可能である。このような場合にあっては、図２に示すような直線状の溝部７ａが一方向に形成された透過型回折格子７に代えて、図８に示すように、複数の溝部２７ａが互い交差するように格子状に形成された回折格子２７を角度測定装置に備えさせて、受光素子６における結像位置のＸ軸方向及びＹ軸方向のズレ量を用いて、角度を測定することが可能となる。

また、図９に示す変形例にかかる角度測定装置３０のように、被測定物５の平坦面５ａに光反射部材であるミラー３９を設置するような構成を採用することもできる。このような構成とすることで、被測定物５の平坦面５ａが平坦でない場合、もしくは、その反射率が低いような場合についても、ミラー３９を用いて回折光を効果的に反射させることができ、被測定物５の角度の計測が可能になる。ただし、このような構成においては、ミラー３９と被測定物５との相対位置関係を把握する必要がある。なお、図９においては、図１の角度測定装置１０が備える構成部と同じ構成部には、同じ参照符号を付してその説明を省略している。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態にかかる角度測定装置４０の模式的な構成図である。なお、図１０の本第２実施形態の角度測定装置４０において、図１の上記第１実施形態の角度測定装置１０が備える構成部と、同じ構成部については、同じ符号を用い、その説明を省略する。

図１０に示すように、角度測定装置４０においては、回折格子として透過型ではなく反射型回折格子４７を用い、さらにこの反射型回折格子４７が、被測定物５の平坦面５ａに配置されている。なお、角度測定装置４０においては、被測定物５を保持して回転させる保持装置が備えられているが、図１０においては、その図示を省略している。

このような構成に角度測定装置４０においては、図１０に示すように、光源１より出射されたレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ２で反射され、１／４波長板３を透過する。１／４波長板３を透過した光Ｌ１は、コリメータレンズ４で平行光Ｌ２にされ、被測定物５の平坦面５ａに沿ってかつ光軸Ｓ上に配置されるように、被測定物５に設置された反射型回折格子４７に入射する。反射型回折格子４７により、平行光Ｌ２は異なる次数の回折光Ｄに分岐されるとともに、それぞれの回折光Ｄが反射する。反射した回折光Ｄのうち、少なくともひとつの次数の回折光Ｄはコリメータレンズ４に入射する。この光は、コリメータレンズ４で集光され、１／４波長板３とビームスプリッタ２を透過して、受光素子６に結像する。

このような構成の角度測定装置４０の具体的な寸法について、図１０を用いて説明する。ビームスプリッタ２の寸法は、図１０のＸ軸方向に２０ｍｍ、Ｚ方向に３０ｍｍである。光源１とビームスプリッタ２との間の距離、および受光素子６とビームスプリッタ２との間の距離は共に１０ｍｍである。受光素子６とコリメータレンズ４との間の距離は３００ｍｍである。コリメータレンズ４の有効径は１０ｍｍであり、コリメータレンズ４の焦点距離はｆ＝３００である。反射型回折格子４７のＸ軸方向の幅は２０ｍｍであり、回折格子４７のピッチは３７μｍである。コリメータレンズ４と回折格子４７との間の距離は１００ｍｍである。

上記第１実施形態の角度測定装置１０では、透過型回折格子７により回折が２回生じるため迷光が発生し受光素子６に入射する可能性があるが、本第２実施形態の角度測定装置４０では、反射型回折格子４７を用いて回折を１回としている。そのため、上記第１実施形態の装置よりも迷光が受光素子６に入射する可能性は低くなるとともに、回折回数を少なくできる。そのため、光源１より出射されるレーザ光の強度を低くすることができ、省エネルギかつ装置コストを低減させることができる。また、角度測定装置４０では、次数は異なるが、被測定物５において常に同じ位置で反射した光を測定することができる。そのため、被測定物５の表面が不均一な場合でも、精度良く角度を測定することができる。ただしこの場合は、被測定物５の回転中心は被測定物５の内部に存在する必要がある。一方、本第２実施形態の装置４０では、反射型回折格子４７を被測定物５に設置する必要があるため、被測定物５の表面の材質によっては反射型回折格子４７を設置することができない場合もある。このような場合にあっては、上記第１実施形態の装置１０の構成を採用することが好ましい。

（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態にかかる角度測定装置５０の模式的な構成図である。なお、図１１の本第３実施形態の角度測定装置５０において、図１の上記第１実施形態の角度測定装置１０が備える構成部と、同じ構成部については、同じ符号を用い、その説明を省略する。

図１１に示すように、角度測定装置５０においては、光通過部であるスリット部（スリット状開口部）５８ａが形成された遮光部材の一例である可動式スロット５８が備えられている。この可動式スリット５８は、スリット部５８ａにおいて一部の回折光を通過させ、その周囲においてそれ以外の回折光を通過させることなく遮断することで、通過させる回折光を制限するという機能を有している。また、可動式スリット５８は図示しない移動装置により、図示Ｘ軸方向に沿って移動可能であって、このような移動によりスリット部５８ａと透過型回折格子７との相対的な位置関係を変化させて、選択的にある次数の回折光を通過させることが可能とされている。

このような構成の角度測定装置５０によれば、図７に示すように、光源１より出射されたレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ２で反射され、１／４波長板３を透過する。１／４波長板３を透過した光Ｌ１は、コリメータレンズ４で平行光Ｌ２にされ、平行光Ｌ２と垂直になるように設置された透過型回折格子７に入射する。透過型回折格子７により、平行光Ｌ２は異なる次数の回折光Ｄに分岐される。その後、それぞれの次数の回折光Ｄが干渉しない程度に透過型回折格子７から離れた位置に設置された可動式スリット５８に、回折光Ｄが入射する。回折光Ｄのうち、可動式スリット５８に形成されたスリット部５８ａを通過した光のみが被測定物５の平坦面５ａに照射される。被測定物５の平坦面５ａで反射した回折光の大部分は透過型回折格子７に入射することなく散乱してしまうが、被測定物５の平坦面５ａで反射した回折光Ｄのうち少なくともひとつの次数の光は、スリット部５８ａを通過した後に透過型回折格子７に再び入射する。この光は、透過型回折格子７で再度回折され、コリメータレンズ４で集光され、１／４波長板３とビームスプリッタ２を透過して、受光素子６に結像する。

本第３実施形態の角度測定装置５０では、第１実施形態の角度測定装置１０に更に可動機構を加えるため、装置が複雑になってしまう。しかしながら、可動式スリット５８のスリット部５８ａの位置と回折光の次数との関係、すなわち次数特定情報を予め取得しておくと、可動式スリット５８を順次光軸Ｓに対して垂直方向に移動させることにより、透過型回折格子７により回折された光の中で受光素子６に入射している光を特定でき、特定の次数から回折光の次数をカウントすることなく角度を測定することができる。このように、スリット部５８ａの位置と回折光の次数とを関係付ける次数特定情報を予め取得して保持しておくことで、被測定物５を移動させることなく次数を特定することができる。

また、このような可動式スリット５８と可動式スリット５８の移動を行う移動装置に代えて、液晶素子を用いることもできる。液晶素子は、光と透過させる部位と光を透過させない部位とを電気的に形成することができるとともに、その部位を所望の場所に形成することができる。このような液晶素子を用いることで、移動装置等を不要とすることができ、装置構成の簡素化及び小型化を図ることができる。

（第４実施形態）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第４実施形態にかかる角度測定装置６０の模式的な構成図であり、上記第１実施形態の角度測定装置１０を示す図３Ａ及び図３Ｂに相当する図である。なお、図１２Ａ及び図１２Ｂの本第４実施形態の角度測定装置６０において、図３Ａ及び図３Ｂの上記第１実施形態の角度測定装置１０が備える構成部と、同じ構成部については、同じ符号を用い、その説明を省略する。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、角度測定装置６０は、透過型回折格子７と被測定物５との間に配置されたスリット部６２ａ付きの遮光部材を、回転移動可能な回転式スリット６２として備えている。この回転式スリット６２は、透過型回折格子７の中心と一致するように配置された回転中心周りに回転装置６３により回転駆動される。このように回転式スリット６２が回転移動されることで、透過型回折格子７にて回折されたそれぞれの回折光の中からある次数の回折光を選択的に通過させることが可能となっている。

ここで、このような構成の角度測定装置６０において、回転式スリット６２が回転移動されてある次数の回折光のみを通過させている様子を示す模式的な説明図を図１３に示す。図１３において、光源１より出射されたレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ２で反射され、１／４波長板３を透過する。１／４波長板３を透過した光Ｌ１は、コリメータレンズ４で平行光Ｌ２にされ、平行光Ｌ２と垂直になるように設置された透過型回折格子７に入射する。透過型回折格子７により、平行光Ｌ２は異なる次数の回折光Ｄに分岐される。その後、それぞれの次数の回折光Ｄが干渉しない程度に透過型回折格子７から離れた位置に設置された回転式スリット６２に回折光Ｄが入射する。それぞれの次数の回折光Ｄのうち、回転式スリット６２に形成されたスリット部６２ａを通過した光のみが被測定物５の平坦面５ａに照射される。被測定物５の平坦面５ａで反射した回折光の大部分は透過型回折格子７に入射することなく散乱してしまうが、被測定物５の平坦面５ａで反射した回折光Ｄのうち少なくともひとつの次数の光は、スリット部６２ａを通過した後に透過型回折格子７に再び入射する。この光は、透過型回折格子７で再度回折され、コリメータレンズ４で集光され、１／４波長板３とビームスプリッタ２を透過して、受光素子６に結像する。

ここで、回転式スリット６２は、透過型回折格子７を回転中心とした円弧状の軌跡を描くように、回転装置６３により回転される。このように回転式スリット６２が回転されることで、回折光の通過及び遮光を効果的に行うことができる。なお、このようなスリット部６２ａの形成幅は、透過型回折格子７を通過する平行光の幅と略同じ寸法にて形成することが好ましい。

この回転装置６３による回転式スリット６２の回転位置と、スリット部６２ａを通過する回折光の次数とを関係付ける次数特定情報を予め取得し、制御装置９に保持させておくことで、被測定物５を移動させることなく、受光素子６に結像される回折光の次数を特定することができる。

本発明の角度測定装置及び測定方法は、小さな機構あるいは可動範囲の小さい機構を用いて、被測定物の角度が広範囲に渡るような場合であっても、その角度を分解能の劣化なく測定することができる。このような角度測定の技術は、例えば、その表面位置に位置ズレが生じる可能性がある光ディスクの角度を測定する装置等に適用できる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２００５年９月２１日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００５−２７３３１４号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる角度測定装置の模式的な構成図である。 図２は、図１の角度測定装置が備える回折格子の模式的な斜視図である。 図３Ａは、上記第１実施形態の角度測定装置のＸＺ平面における模式的な側面図である。 図３Ｂは、上記第１実施形態の角度測定装置のＹＺ平面における模式的な側面図である。 図４は、上記第１実施形態の透過型回折格子において平行光が回折される様子を示す模式的な説明図である。 図５は、上記第１実施形態の角度測定装置において回折光と反射光との関係を示す模式的な説明図である。 図６Ａは、上記第１実施形態の変形例にかかる角度測定装置のＸＺ平面における模式的な側面図である。 図６Ｂは、上記第１実施形態の変形例にかかる角度測定装置のＹＺ平面における模式的な側面図である。 図７は、上記第１実施形態の角度測定装置において、反射光が透過型回折格子にて再び回折される様子を示す模式的な説明図である。 図８は、上記第１実施形態の変形例にかかる透過型回折格子の模式的な斜視図である。 図９は、上記第１実施形態の変形例にかかる角度測定装置の模式的な構成図である。 図１０は、本発明の第２実施形態にかかる角度測定装置の模式的な構成図である。 図１１は、本発明の第３実施形態にかかる角度測定装置の模式的な構成図である。 図１２Ａは、本発明の第４実施形態にかかる角度測定装置のＸＺ平面における模式的な側面図である。 図１２Ｂは、上記第４実施形態の角度測定装置のＹＺ平面における模式的な側面図である。 図１３は、上記第４実施形態の角度測定装置において回転式スリットが回転された状態を示す模式的な説明図である。 図１４は、従来の角度測定装置の模式的な構成図である。

Claims (16)

1. 光源と、
   受光素子と、
   上記光源より出射された光をその光軸に平行な平行光とするコリメータレンズと、
   上記光軸上に配置され、上記平行光を透過させるとともに、異なる次数の光に回折させる透過型回折格子と、
   上記透過型回折格子に対向するように配置された被測定物の平坦面にて反射された回折光を、上記透過型回折格子を透過させた後に上記受光素子に結像させる光学系と、
   上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記光軸に対する上記被測定物の角度を測定する測定装置と、
   上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を回転させる回転装置と、
   上記回転装置による上記被測定物の回転位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を有し、上記被測定物の回転位置情報及び上記次数特定情報により結像した光の次数を特定する制御装置と、を備える、角度測定装置。
2. 上記回転装置は、上記透過型回折格子を中心とした円弧に沿って上記被測定物を回転させる装置である、請求項１に記載の角度測定装置。
3. 上記回転装置は、上記被測定物の内部に配置された回転中心周りに、上記被測定物を回転させる装置である、請求項１に記載の角度測定装置。
4. 光源と、
   受光素子と、
   上記光源より出射された光をその光軸に平行な平行光とするコリメータレンズと、
   上記光軸上に配置され、上記平行光を透過させるとともに、異なる次数の光に回折させる透過型回折格子と、
   上記透過型回折格子に対向するように配置された被測定物の平坦面にて反射された回折光を、上記透過型回折格子を透過させた後に上記受光素子に結像させる光学系と、
   上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記光軸に対する上記被測定物の角度を測定する測定装置と、
   上記被測定物の平坦面と上記透過型回折格子との間に配置され、上記それぞれの次数の回折光のうちの一部を通過させる光通過部を有し、他の上記回折光を遮光する光透過部付き遮光部材と、
   上記光軸に交差する方向における上記遮光部材と上記透過型回折格子とを相対移動させる移動装置と、
   上記移動装置による上記遮光部材の相対移動位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を有し、上記遮光部材の相対移動位置情報及び上記次数特定情報により上記回折光の次数を特定する制御装置と、を備える、角度測定装置。
5. 上記移動装置は、上記透過型回折格子を中心とした円弧に沿って、上記遮光部材を移動させる装置である、請求項４に記載の角度測定装置。
6. 上記遮光部材における上記光通過部はスリット状開口部であって、上記透過型回折格子を透過する上記平行光の幅と同じ幅のスリットが形成されている、請求項４に記載の角度測定装置。
7. 光源と、
   受光素子と、
   上記光源より出射された光をその光軸に平行な平行光とするコリメータレンズと、
   上記光軸上及び被測定物の平坦面上において上記コリメータレンズに対向するように配置され、照射される平行光を異なる次数の光に回折させて反射する反射型回折格子と、
   上記反射された回折光を上記受光素子に結像させる光学系と、
   上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記光軸に対する上記被測定物の角度を測定する測定手段と、
   上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を回転させる回転装置と、
   上記回転装置による上記被測定物の回転位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を有し、上記被測定物の回転位置情報及び上記次数特定情報により結像した光の次数を特定する制御装置と、を備える、角度測定装置。
8. 上記コリメータレンズの焦点距離をｆとし、上記レンズから出射された上記平行光の波長をλとし、上記回折格子の溝部の間隔ピッチをｄとし、上記回折光の特定の次数をｍとし、上記受光素子上における上記光軸と上記結像位置との距離をｌとすると、上記被測定物の上記レンズの光軸に対する角度φを、数１を用いて算出する角度算出部をさらに備える、請求項１または４に記載の角度測定装置。
   

   
9. 平行光を回折格子に透過させるとともに、上記回折格子にて異なる次数の光に回折し、
   上記回折された光を被測定物の平坦面にて反射し、
   上記反射された回折光を上記回折格子に透過させた後に受光素子に結像させ、
   上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記平行光の光軸に対する上記被測定物の角度を測定するに際し、
   上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を相対移動させ、上記被測定物の相対移動位置と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、上記取得された上記被測定物の相対移動位置情報及び上記次数特定情報により上記結像した光の次数を特定する、角度測定方法。
10. 上記光軸に対する上記被測定物の相対移動は、上記回折格子を中心とした円弧に沿って上記被測定物を移動させる、請求項９に記載の角度測定方法。
11. 上記光軸に対する上記被測定物の相対移動は、上記被測定物の内部に配置された回転中心周りに上記被測定物を回転させる、請求項９に記載の角度測定方法。
12. 被測定物の平坦面上に配置された回折格子に対して照射された平行光を反射させるとともに、上記回折格子にて異なる次数の光に回折し、
    上記反射された回折光を集光して受光素子に結像させ、
    上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記平行光の光軸に対する上記被測定物の角度を測定するに際し、
    上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させるように上記被測定物を相対移動させ、上記被測定物の相対移動位置情報と、上記受光素子に結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、上記取得された上記被測定物の相対移動位置情報及び上記次数特定情報により上記結像した光の次数を特定する、角度測定方法。
13. 上記光軸と上記被測定物の平坦面とが垂直に配置された状態で０次の上記回折光を結像させた後、上記平坦面と上記回折格子とを相対移動させ、次数が一つ増加した上記回折光を順次結像させて上記光軸に対する上記平坦面の角度を変化させ、上記被測定物の相対移動位置と上記結像される回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、
    上記次数特定情報及び上記被測定物の相対移動位置情報により上記結像した光の次数を特定する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の角度測定方法。
14. 平行光を回折格子に透過させるとともに、上記回折格子にて異なる次数の光に回折し、
    上記回折された光を被測定物の平坦面にて反射し、
    上記反射された回折光を上記回折格子に透過させた後に受光素子に結像させ、
    上記受光素子上の結像位置と結像した光の次数とに基づいて、上記平行光の光軸に対する上記被測定物の角度を測定するに際し、
    上記被測定物の平坦面と上記回折格子との間に配置され、上記それぞれの次数の回折光のうちの一部を通過させる光通過部を有し、他の上記回折光を遮光する光透過部付き遮光部材を、上記回折格子に対して上記光軸に交差する方向に移動させて、上記それぞれの次数の回折光を順次受光素子に結像させて、上記遮光部材の相対移動位置と、上記受光素子上に結像した回折光のそれぞれの次数とを関係付ける次数特定情報を取得し、
    上記取得された次数特定情報及び上記遮光部材の相対移動位置情報により上記結像した回折光の次数を特定する、角度測定方法。
15. 上記回折格子に対する上記遮光部材の相対移動は、上記回折格子を中心として円弧に沿って上記遮光部材を移動させる、請求項１４に記載の角度測定方法。
16. 上記平行光の形成、並びに上記特定の次数の回折光の集光及び結像は、コリメータレンズを用いて行われ、
    上記コリメータレンズの焦点距離をｆとし、上記レンズから出射された上記平行光の波長をλとし、上記回折格子の溝部の間隔ピッチをｄとし、上記回折光の特定の次数をｍとし、上記光軸と上記結像位置との距離をｌとすると、上記被測定物の上記光軸に対する角度φを、数２を用いて算出する、請求項９または１４に記載の角度測定方法。
    

    

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