JP5322099B2

JP5322099B2 - 角度センサ

Info

Publication number: JP5322099B2
Application number: JP2008270404A
Authority: JP
Inventors: 偉高; 悠佑齋藤; 義和荒井; 達郎鈴木
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: JP2010101622A

Description

本発明は、精密工学分野において測定対象物の微小角度変位量計測等に用いる角度センサに関する。

光てこを用いた角度検出法の一種であるオートコリメーション法は、測定対象である鏡面体と、光源、レンズ、位置検出素子の組み合わせからなる。鏡面体の角度変化に伴って反射光のレンズ焦点面上におけるスポットの位置が変化するため、そのスポットの移動量を位置検出素子で検出する事により角度変化が測定できる。この検出法は、その光学系の単純さ故に角度計測において有用な検出方法である（例えば、特許文献１参照）。この検出法において、位置検出素子に分割型フォトダイオードを用いる事で、高感度な角度センサが開発されている。このタイプの角度センサの場合、分割型のフォトダイオードには通常数μｍ〜数十μｍの隙間が存在しているため、焦点面上のスポットサイズがこの隙間のサイズよりも大きい必要がある。

一方、分割型のフォトダイオードを用いた場合には、レンズ焦点面上のスポットサイズが小さい方が、より高感度な角度計測が可能である事が分かっている（例えば、特許文献１参照）。このため、高感度角度センサを構成するにあたり、光スポットの強度分布の最も強い中心部分が分割型フォトダイオード隙間に埋もれてしまう事によるＳ／Ｎの低下が起こり、検出感度とのトレードオフが問題となっている。

従来、光検出素子として用いられていた分割型のフォトダイオードは、Ｍ×Ｎ（Ｍは１以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）のフォトダイオードを光検出素子として有し、そのため、隣り合ったフォトダイオードの間に数μｍ〜数十μｍの隙間（不感帯）が存在している。このような検出素子は、隣り合ったフォトダイオード同士の出力の作動により、スポットの位置を検出するため非常に高感度な検出が可能である。また、全受光素子の出力の合計で各受光素子の出力差を除算する事により、常に全体の出力値に対する受光素子間の出力変化が観察できるため、光量の変化と隙間による影響とを補正する事が可能である。このタイプのフォトダイオードを角度検出に用いた場合には、スポットの大きさと角度検出感度との関係が反比例する事が分かっている。スポットサイズは小さいほどに角度検出感度が向上するため、より微小角度を高感度に検出可能である事がわかる。

しかし、スポットサイズが隙間のサイズに比べて同程度の大きさになった場合、スポット強度が最も強い中心部分が隙間に入射してしまうため、Ｓ／Ｎの低下が起こる。また、スポットサイズが隙間のサイズよりも小さい場合、位置の検出自体が不可能となる。このため、スポットの位置を正しく検出するためには、スポットサイズは隙間のサイズよりも大きい必要があり、これが角度センサの検出感度の向上を妨げていた。

また、上記検出原理を用いる事で、３軸方向の角度センサを構成可能である。測定対象物として、上記鏡面体の替わりに一次元回折格子を光路中に設置する。回折光の反射成分は、一次元回折格子のローリング方向の回転に従って回転するため、この光の回転変位を検出する事でローリングの検出が可能となる。ローリング角度検出において、一次元回折格子からの回折光反射成分のうち、１次光の光路は他の高次光に比べて回折角度の拡がりが最も小さいものである。従って、この１次光を検出する光検出素子を上記検出方法に従って配置する事によりローリング角度変位を検出するようにすれば、光検出素子を狭い領域に配置する事が可能になり、３軸角度センサの小型化が可能である。この場合、ピッチング及びヨーイングの角度変位は、回折光反射成分のうち０次光成分を用い、上記２軸角度センサの検出方法に従って光検出素子を配置する事により検出する手法が小型化の点で望ましい。また、＋１次光と−１次光の変位量の差動を取る事によって、角度測定の精度を向上させる事ができる（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、前述の３軸角度センサにおいても、スポットサイズが隙間のサイズに比べて同程度以下の大きさになった場合、Ｓ／Ｎの低下および位置の検出自体が不可能となる問題がある。

特開２００３−１５６３１９号公報特開２００７−２１８８４２号公報

本発明は、このような従来技術の欠点を解消し、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの微小角度変位量の測定が可能な多自由度軸角度センサを提供する事を目的としている。

本発明によれば、検出対象面の微小角度変化を検出するセンサにおいて、前記検出対象面に鏡面体が設けられ、前記鏡面体に光ビームを投光するための光源を設け、前記光源からの光ビームによる前記鏡面体からの反射光の光路中に光ビーム分割用光学素子並びに対物レンズを設け、前記鏡面体からの反射光の光軸からの移動量に応じた光強度の変化を、前記対物レンズの焦点付近に配置された複数の光検出素子により検出する事で角度を検出する角度センサであって、前記光検出素子は、１対の非分割型の単素子ＰＤ（フォトダイオード）を有し、一方の単素子ＰＤは、その受光面の一部に光スポットが入射するように、前記光ビーム分割用光学素子により分けられた前記光源からの一方の光ビームにより定義される光軸からＰＤ受光面の長さ以下のオフセット量を与えて配置され、前記鏡面体の所定の軸回りの回転に伴って、その受光面に入射する前記光スポットの面積が変化するよう設けられており、他方の単素子ＰＤは、位置の変化による光強度変化量の検出用として光スポットの大きさよりも十分に大きな素子サイズを有し、前記光ビーム分割用光学素子により分けられた前記光源からの他方の光ビームにより規定される光軸に沿って配置され、光強度変化の正規化のための光量モニタリング用として設けられていることを、特徴とする角度センサが得られる。

また、本発明によれば、前記光ビーム分割用光学素子により分けられた前記光源からの一方の光ビームを、さらに２つの光ビームに分割するハーフビームスプリッタを有し、前記一方の単素子ＰＤは２つから成り、そのうちの１つの単素子ＰＤは、その受光面の一部に、前記ハーフビームスプリッタで分割された一方の光ビームによる光スポットが入射し、前記鏡面体のヨーイング方向の回転に伴って、その受光面に入射する前記光スポットの面積が変化するよう設けられ、その光スポットの強度変化を検出する事により、ヨーイングの角度検出が可能であり、残りの１つの単素子ＰＤは、その受光面の一部に、前記ハーフビームスプリッタで分割された他方の光ビームによる光スポットが入射し、前記鏡面体のピッチング方向の回転に伴って、その受光面に入射する前記光スポットの面積が変化するよう設けられ、その光スポットの強度変化を検出する事により、ピッチングの角度検出が可能であることを、特徴とする角度センサが得られる。

また、本発明によれば、前記検出対象面に前記鏡面体の替わりに１次元回折格子が設けられ、前記１次元回折格子に光ビームを投光するための光源を設け、前記光源から投光された光ビームによる回折光反射成分のうち、０次光並びに１次光を角度検出に用い、前記１次元回折格子からの回折光反射光の光路中に複数の光検出素子である単素子ＰＤを配置する事で、ローリングを含めた３軸角度が検出可能である事を、特徴とする角度センサが得られる。

更に、本発明によれば、前記１次元回折格子からの回折光反射成分の１次光を検出する前記光検出素子により、ローリング角度変位を検出するようにしたことを、特徴とする角度センサが得られる。

本発明では、まず、検出対象に設けられた鏡面体に光源から光ビームを投光する。この鏡面体からの反射光が光検出素子である単素子ＰＤの一部に入射するように単素子ＰＤを配置する。そして、検出対象がＹ軸、Ｚ軸回りに変位すると鏡面体からの反射光がその変位に応じて変化する。従って、この単素子ＰＤ上の光スポットの位置が変化する事により、単素子ＰＤ上に入射している光スポットの面積が変化する。この入射光スポットの面積変化に比例する単素子ＰＤからの出力の変化量を検出する事により、角度の検出が可能である。

一方のスポットの半分以上が単素子ＰＤの一部に入射するように配置した場合、多分割型のフォトダイオードを用いる場合に比較して、隙間サイズが原理的に関係なくなるために、例えば回折限界まで絞った非常に小さなスポットを用いた高感度角度検出が可能となる。また、スポットの強度分布の最も強い中心部分の大部分を利用する事ができるため、Ｓ／Ｎも向上する事が期待される。

また、この検出原理を用いて多自由度の角度検出を行う事も可能である。上記検出原理は基本的に一軸の角度検出を行うものであるため、鏡面体により反射した光を２つに分割し、一方でピッチング方向、他方でヨーイング方向を検出するようにそれぞれ上記原理を適用する事により、２軸角度検出を行う角度センサを構成可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の角度センサの基本構成を示す全体構成図である。
図１において、１は検出対象であり、その表面は鏡面１ａである。また、図１は、１軸方向の角度検出（ヨーイング方向）について示している。

まず、レーザ光源２からＰ偏光方向に調整されたレーザ光１１が、Ｘ軸方向に沿って出力される。このレーザ光１１は、コリメートレンズ５によってコリメートされた平行入射光１１となる。ついで、アパーチャ６によって適当な大きさのコリメート光に調整された後、１／４波長板付ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）７を通り円偏光に変換され、検出対称面１ａに入射する。鏡面形状の検出対称面１ａにより反射された反射コリメート光１２は、再び１／４波長板付ＰＢＳ７の１／４波長板を通る事により偏光方向がＳ偏光方向に変換されるため、１／４波長板付ＰＢＳ７の偏光ビームスプリッタの境界面上で図中Y軸方向へと光路が曲げられる。さらに、このコリメート光は、ハーフビームスプリッタ８ａによってその強度が５０％になるように２つの光に分割される。分割された光のうち、X軸に沿う方向の光１２ａは、対物レンズ４ａを通り、光路中に設置された光検出素子である単素子ＰＤ３ａに入射し、光スポット３ａｓとなる。単素子ＰＤ３ａは、レーザ光源２の光強度のモニタリング用に使用される。また、Y軸に沿う方向の光１２ｂは、対物レンズ４ｂを通り、次いで光路中に設置された単素子ＰＤ３ｂに入射し、光スポット３ｂｓを形成する。単素子ＰＤ３ｂは、図１中の光軸９ｂからΔxだけ離れた軸と中心軸１０ａが一致するように設置されている。単素子ＰＤ３ａおよび３ｂは、それぞれ対物レンズ４ａ並びに４ｂの焦点面上１３ａ、１３ｂに配置されている。

図２は、図１に示す単素子ＰＤ３ａ並びに３ｂの検出面におけるスポットの状態を説明するための説明図である。図２において、図１と同じ構成要素には同一符号を付している。図２（ａ）において、光スポット３ａｓは単素子ＰＤ３ａの検出面に形成されるスポットを表し、３ａ_１は単素子ＰＤ３ａの受光素子を表す。図２（ａ）に示されているように、光スポット３ａｓに対して受光素子３ａ_１は十分に大きな面積を持っている。また、同様に図２（ｂ）において、光スポット３ｂｓは単素子ＰＤ３ｂの検出面に形成されるスポットを表し、３ｂ_１は単素子ＰＤ３ｂの受光素子を表している。また、図２中のV₁、V₂、H₁、H₂はそれぞれ受光面上における垂直軸、水平軸を表している。

次に、このような構成の１軸角度センサに関し、その角度検出原理を図１乃至図３を用いて説明する。図１において、検出対象１がヨーイング方向(Z軸回り)にΔθ_Z回転したとすると、その反射光１２は光軸９ｃに対して傾き、単素子ＰＤ３ａ並びに３ｂの検出面における光スポット３ａｓ、３ｂｓは、図２に示すように、それぞれH軸方向に移動する。ここで、図３に示すように、光軸９ｂに対する反射光１２ｂの傾き角度が2Δθ_Zであり、H₂軸方向に移動する距離がΔｄ_Hであったとすれば、これらの間には式（１）のような関係が成立する。

ここで、対物レンズ４ｂの焦点距離をfとする。この式（１）から焦点面上の光スポット３ｂｓの移動距離Δｄ_Hを検出する事により、検出対象１の角度変化Δθ_Zを検出可能である。従って、対物レンズ４ｂの焦点面上１３ｂに位置検出素子を配置する事で、検出対象１の傾きの角度Δθ_Zを検出する事ができる。

対物レンズ４ｂの焦点面上１３ｂに位置検出素子を配置する代わりに、図１、図２（ｂ）に示したように、単素子ＰＤ３ｂの中心軸１０ａを光軸９ｂに対してΔxだけずらして配置する事により、焦点面上１３ｂにおける光スポット３ｂｓの移動に伴って単素子ＰＤ３ｂにかかる光スポット３ｂｓの面積は変化するため、単素子ＰＤ３ｂからの出力値αが変化する。従って、この出力値を検出する事によって、位置検出素子を用いた場合と同様に角度を求める事が可能である。また、図１、図２（ａ）に示したように焦点面上１３ａのスポットサイズ並びに光スポット３ａｓの移動距離Δｄ_Hに比べて十分大きな受光面３ａ_１をもつ単素子ＰＤ３ａをその中心軸と光軸９ａとが一致するように配置する事によって、検出対象１の角度変化に依らず常に一定のＰＤ出力βを得る事ができる。以上２つのＰＤ出力α、βを用いて、角度センサの出力値H_{y_out}は、以下の式（２）のように正規化して表せる。
式（２）から、レーザ光源２の強度変化に依らず、安定した角度の検出が可能となる。

図４は、本発明の第２の実施の形態の角度センサの基本構成を示す全体構成図であり、ピッチング、ヨーイングの２軸回りの角度を同時に検出する事ができる２軸角度センサを表す。
図４において、説明を簡略化するために、図１と同じ要素に関しては同様の記号を用いている。１は検出対象であり、その表面の状態は鏡面１ａである。また、図４は、図１と同様にヨーイング方向の角度検出について示している。

まず、レーザ光源２から出力されたビームがコリメート光１１となり、検出対象１の表面に入射する。検出対象面１ａからの反射光１２は、ハーフビームスプリッタ８ａによってその強度が５０％になるように２つのビームに分割される。このうち、X軸に沿う方向の光１２ａは、図１と同様に光量モニタリング用単素子ＰＤ３ａに入射する。また、Y軸に沿う方向の光１２ｂは、さらにハーフビームスプリッタ８ｂを通る事により、２つのビーム１２ｃ、１２ｄに分割される。このうちY軸に沿う方向の光１２ｄは、対物レンズ４ｂを通り、次いで光路中に設置された単素子ＰＤ３ｂに入射し、光スポット３ｂｓを形成する。単素子ＰＤ３ｂは、図１同様に、光軸９ｂからΔxだけ離れた軸１０ａと中心軸が一致するように設置されており、スポット３ｂｓの強度変化を検出する事により、ヨーイング角度変位を検出可能である。また、X軸に沿う方向の光１２ｃは、ピッチング角度の検出用であり、対物レンズ４ｃを通り、次いで光路中に設置された単素子ＰＤ３ｃに入射し、光スポット３ｃｓを形成する。なお、単素子ＰＤ３ｃは、光軸９ｄよりZ軸方向にΔｚだけ離れた軸１０ｂとその中心軸が一致するように設置されているため、ヨーイング方向の検出の場合と同様に、光スポット３ｃｓの強度変化を単素子ＰＤ３ｃにより検出する事で、角度を測定可能である。なお、単素子ＰＤ３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれ対物レンズ４ａ、４ｂ、４ｃの焦点面上１３ａ、１３ｂ、１３ｃに配置されている。

図５は、図４に係る角度検出原理を説明するための図であり、ヨーイング方向の角度検出の様子を表している。図１の１軸角度検出の場合と同様に、検出対象１がヨーイング方向（Z軸回り）にΔθ_Z回転した場合、図５（ａ）に示すように、単素子ＰＤ３ｂの素子上に形成された光スポット３ｂｓが、検出対象１の変位に伴ってH₂方向に移動する事で、単素子ＰＤ３ｂの出力信号αが変化するため、式（１）からヨーイング方向の角度検出ができる。この際、図５（ｂ）に示したように、単素子ＰＤ３ｃの素子上に形成された光スポット３ｃｓがH₃方向へと移動するが、この光スポットの移動における単素子ＰＤ３ｃからの出力信号γの変化はないため、単素子ＰＤ３ｃはヨーイング方向検出には関与しない。一方、検出対象１がピッチング方向（Y軸回り）にΔθ_Y回転した場合、光スポット３ｂｓ、３ｃｓがそれぞれV₂、V₃方向へと移動するため、この場合には単素子ＰＤ３ｂからの出力信号αは変化せず、単素子ＰＤ３ｃからの出力信号γのみが変化する。

ヨーイング、ピッチングそれぞれの角度変位が起こった場合でも、図２（ａ）に示されているように、単素子ＰＤ３ａからの出力信号βは一定であるため、２つのＰＤ出力β、γを用いて、ピッチング方向の角度センサの出力値V_{p_out}は、以下の式（３）のように正規化して表せる。
以上の式（２）、（３）を用いる事により、２軸の角度変位を独立に検出できる角度センサを構成可能である。

図６は、本発明の第３の実施の形態の角度センサの基本構成を示す全体構成図であり、ピッチング、ヨーイング、ローリングの３軸回りの角度を同時に検出可能である。
図６において説明を簡略化するために、図１並びに図４と同じ要素に関しては同様の記号を用いており、１５ａで表わされる２軸角度（ピッチング、ヨーイング）検出領域は、図４に示した２軸角度センサと全く同じ構成となっている。
１は検出対象であり、その表面には１次元回折格子１ｂが形成されている。１次元回折格子１ｂは、図６中のＺ軸方向に伸びる格子パターンがＹ軸方向に多数並んだ構成である。１次元回折格子１ｂには、レーザ光源２からＰ偏光方向に調整されて出力されコリメートされた平行入射光１１が、１／４波長板付ＰＢＳ７を介して円偏光状態に変換され、X軸方向から入力される構成となっている。コリメート光１１が１次元回折格子１ｂに入射すると、１次元回折格子１ｂからは回折光反射成分の０次光１４ａ、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ、−１次光１４ｃおよび他の高次の回折光反射成分が反射される。回折光反射成分の０次光１４ａは、再び１／４波長板付ＰＢＳ７を通る事でその偏光方向がＳ偏光方向に変換され、１／４波長板付ＰＢＳ７の偏光ビームスプリッタの端面で反射し、２軸角度検出領域１５ａへと入力され、図４に示したように、ピッチング並びにヨーイング方向の角度を同時に検出可能となる。

また、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ並びに−１次光１４ｃは、それぞれ対物レンズ４ｄ並びに４ｅを通過した後、単素子ＰＤ３ｄ並びに３ｅに入射する。ここで、単素子ＰＤ３ｄおよび３ｅの検出面は、それぞれ対応する対物レンズ４ｄ並びに４ｅの焦点面１３ｄおよび１３ｅ上に配置されており、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ、−１次光１４ｃがこの検出面にて光スポット３ｄｓ並びに３ｅｓを形成する。また、単素子ＰＤ３ｄおよび３ｅは光軸９ｅ並びに９ｆからそれぞれZ軸方向にΔｚだけ平行で、かつY軸方向に距離Δy₁離れた軸１０ｃ並びに１０ｄにその中心軸が一致する。このときの距離Δy₁は、１次元回折格子１ｂの格子周期ｐ、レーザ光源２の発振波長λ、対物レンズ４ｄ並びに４ｅの焦点距離をｆとして、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ並びに−１次光１４ｃの回折角Δθ_a＝λ／ｐを式（１）に代入する事で、以下の式（４）のように表せる。
ここで、１次元回折格子１ｂがＸ軸回りに微小角度変位すると、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ並びに−１次光１４ｃの反射方向が変位し、単素子ＰＤ３ｄ並びに３ｅの検出面に形成された回折光反射成分の＋１次光１４ｂ並びに−１次光１４ｃのスポット位置が移動する。この場合、ピッチング、ヨーイング方向の角度変化がないため、回折光反射成分の０次光１４ａによって形成される光スポット３ｂｓ並びに３ｃｓのスポット位置は変化しないため、光スポット３ｄｓ並びに３ｅｓの強度変化を検出する事により、ローリング方向の角度のみを検出する事ができる。

従って、回折光反射成分の０次光１４ａを用いたピッチング、ヨーイングの２軸角度検出領域１５ａと、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ並びに−１次光１４ｃのスポット位置変位を計測する事によって得られるローリング角度検出領域１５ｂとの組み合わせにより、ヨーイング、ピッチング、ローリング方向の角度を各々独立にかつ同時に測定する事ができる。

図７は、図６に係る角度検出原理を説明するための図であり、図６のローリング角度検出領域１５ｂの光学系におけるローリング方向の角度検出の様子を表している。１次元回折格子１ｂがローリング方向にΔθ_x回転した場合、図７に示すように、単素子ＰＤ３ｄおよび３ｅの素子上に形成された、回折光反射成分の＋１次光１４ｂ並びに−１次光１４ｃの光スポット３ｄｓ並びに３ｅｓが、０次光１４ａの光スポット３ａｓまたは３ｂｓまたは３ｃｓを回転中心としてV₄軸の方向へと移動する。このため、単素子ＰＤ３ｄ並びに３ｅの出力信号χが変化するため、単素子ＰＤ３ａからの出力信号βを用いてローリング方向の出力V_{r_out}を次の式（５）のように表せる。
ローリングとピッチングとが同時に起こった場合においても、式（５）によりローリング角度のみを検出可能である。１次元回折格子１ｂがピッチング方向にΔθ_ｙ回転しかつローリング方向にΔθ_x回転した場合、単素子ＰＤ３ｄ並びに３ｅの出力信号にはピッチング角度変位によるスポット変位に加え、ローリング角度変位によるスポット変位が含まれているため、それぞれ（γ+χ）、（γ-χ）と表す事ができる。これらのＰＤ出力値を式（５）に代入すると次の（６）式が得られる。
即ち、式（５）と全く同じ結果が得られる。また、１次元回折格子１ｂがヨーイング方向に変位した場合においては、スポットはH₄方向に変位するため、スポットの移動によるＰＤ出力の変化は起こらない。以上から、図６に示された１５ｂの領域の光学系は、ピッチング、ヨーイングの影響を受けずにローリング角度を検出する事ができる。

図８に、本発明の第１の実施の形態の角度センサのヨーイング方向角度検出結果を示す。この際に使用したレーザ光源２は、発振波長λが683nmであり、コリメート光の直径D₀はおよそ2mmである。また、検出対象１ａとして平面ミラーを用いている。また、対物レンズ４ａ並びに４ｂの焦点距離fは、25.4mmとなっている。検出対象１ａがヨーイング方向に傾斜すると、それに応じて対物レンズ４ａ並びに４ｂの焦点面上に形成されたスポットが変位するため、このうち光スポット３ｂｓの変位に応じて生じる単素子ＰＤ３ｂの出力変化並びに３ａの出力を用いる事で、角度変位に応じたセンサ出力を得る事ができる。図８は、ヨーイング方向に回転する事のできる自動ステージに検出対象１を固定し、ステージを微小にヨーイング方向に動かしながら周波数4Hz間隔でサンプリングしたもののグラフである。なお、自動ステージのヨーイング方向の角度は校正済みであるため、角度センサの出力の校正は自動ステージの角度を用いる。また、この時のコリメート光の出力は、約437μWに設定されている。グラフ横軸が自動ステージの傾きに伴う検出対象１の角度、縦軸が角度センサに固定されている単素子ＰＤ３ａ並びに３ｂからの出力を表しており、それぞれの出力は図８中の１６ａ並びに１６ｂに示されている。なお、図８中の出力値の添え字ａ並びにｂは、対応するＰＤからの出力である事を表している。このグラフから、単素子ＰＤ３ａからの出力は、検出対象１の角度変化に依らずほぼ一定である事が確認できる。

図９は、図８と同様に、本発明の第１の実施の形態の角度センサのヨーイング方向角度検出結果を示すものであり、コリメート光の強度を283μW〜592μWまで、16μW刻みで変化させた場合の角度センサの単素子ＰＤ３ａからの出力１６ａ〜２０ａ、並びに単素子ＰＤ３ｂからの出力１６ｂ〜２０ｂについて示している。その他の実験の条件は、図８の場合と同様である。図９に示されているように、単素子ＰＤ３ａ並びに３ｂからの出力値は、コリメート光の強度の値に比例して変化する。このため、角度検出結果がコリメート光の強度に依存してしまう。そのため、本発明の角度センサでは、式（２）を用いて角度検出結果を正規化している。図１０は、角度センサの単素子ＰＤ３ａからの出力１６ａ〜２０ａ並びに単素子ＰＤ３ｂからの出力１６ｂ〜２０ｂに、式（２）を適用して角度測定結果を正規化したグラフを示す。図１０中には、それぞれ正規化した出力を１６ｃ〜２０ｃで示しており、すべての出力はコリメート光の出力値に依らずほぼ重なっている事が分かる。また、検出対象１の角度と正規化後のセンサ出力１６ｃ〜２０ｃとの関係は、直線近似でき、センサ出力に対する角度を同定する事が可能である。

本発明の角度センサによれば，従来分割型の位置検出素子を用いた場合に潜在的に問題であった、センサ感度の向上に伴い素子間の隙間のサイズとスポットサイズとが同程度になる事により、スポットの強度分布の中でも最もエネルギーの集中する中心部分を測定に用いる事ができない事に起因するＳ/Ｎの低下を解決する事ができ、かつ素子間の隙間サイズに無関係にスポットサイズを選定する事が可能であるため、従来の分割型ＰＤを用いた場合の角度センサよりも高感度な角度センサを構成できる可能性がある。また、簡便な光学系でありながら、最大で３軸回りの角度変化を一括で測定できるために、精密ステージの運動により生じる軸回りの微小な角度変化を検出でき、超精密加工機や半導体製造装置の加工精度向上に大きく貢献できる。

本発明の第１の実施の形態の角度センサの基本構成を示す全体構成図である。図１に示す角度センサの各単素子ＰＤの検出面におけるスポットの状態を示す正面図である。図１に示す角度センサのヨーイングの角度検出原理を示す側面図である。本発明の第２の実施の形態の角度センサの基本構成を示す全体構成図である。図４に示す角度センサの各単素子ＰＤによる角度検出原理を示す正面図である。本発明の第３の実施の形態の角度センサの基本構成を示す全体構成図である。図６に示す角度センサの各単素子ＰＤによる角度検出原理を示す正面図である。図１に示す角度センサの、入射光の強度を約437μＷに設定したときのヨーイング方向角度検出結果を示すグラフである。図１に示す角度センサの、入射光の強度を変化させたときのヨーイング方向角度検出結果を示すグラフである。図９のグラフを、式（２）を用いて正規化したときのグラフである。

符号の説明

１検出対象
１ａ鏡面
１ｂ１次元回折格子
２レーザ光源
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ単素子ＰＤ
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ対物レンズ（Objective Lens）
５コリメートレンズ（Collimate Lens）
６アパーチャ
７１／４波長板付ＰＢＳ
８ａ、８ｂハーフビームスプリッタ
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ光軸（中心）
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ（単素子ＰＤの）中心軸
１１（平行入射）光
１２、１２ａ、１２ｂ（反射）光
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ焦点面（上）
１４ａ回折光反射成分の０次光
１４ｂ回折光反射成分の＋１次光
１４ｃ回折光反射成分の−１次光
１５ａ２軸角度（ピッチング、ヨーイング）検出領域
１５ｂローリング角度検出領域

Claims

検出対象面の微小角度変化を検出するセンサにおいて、前記検出対象面に鏡面体が設けられ、前記鏡面体に光ビームを投光するための光源を設け、前記光源からの光ビームによる前記鏡面体からの反射光の光路中に光ビーム分割用光学素子並びに対物レンズを設け、前記鏡面体からの反射光の光軸からの移動量に応じた光強度の変化を、前記対物レンズの焦点付近に配置された複数の光検出素子により検出する事で角度を検出する角度センサであって、
前記光検出素子は、１対の非分割型の単素子ＰＤ（フォトダイオード）を有し、一方の単素子ＰＤは、その受光面の一部に光スポットが入射するように、前記光ビーム分割用光学素子により分けられた前記光源からの一方の光ビームにより定義される光軸からＰＤ受光面の長さ以下のオフセット量を与えて配置され、前記鏡面体の所定の軸回りの回転に伴って、その受光面に入射する前記光スポットの面積が変化するよう設けられており、他方の単素子ＰＤは、位置の変化による光強度変化量の検出用として光スポットの大きさよりも十分に大きな素子サイズを有し、前記光ビーム分割用光学素子により分けられた前記光源からの他方の光ビームにより規定される光軸に沿って配置され、光強度変化の正規化のための光量モニタリング用として設けられていることを、
特徴とする角度センサ。
前記光ビーム分割用光学素子により分けられた前記光源からの一方の光ビームを、さらに２つの光ビームに分割するハーフビームスプリッタを有し、
前記一方の単素子ＰＤは２つから成り、そのうちの１つの単素子ＰＤは、その受光面の一部に、前記ハーフビームスプリッタで分割された一方の光ビームによる光スポットが入射し、前記鏡面体のヨーイング方向の回転に伴って、その受光面に入射する前記光スポットの面積が変化するよう設けられ、その光スポットの強度変化を検出する事により、ヨーイングの角度検出が可能であり、残りの１つの単素子ＰＤは、その受光面の一部に、前記ハーフビームスプリッタで分割された他方の光ビームによる光スポットが入射し、前記鏡面体のピッチング方向の回転に伴って、その受光面に入射する前記光スポットの面積が変化するよう設けられ、その光スポットの強度変化を検出する事により、ピッチングの角度検出が可能であることを、
特徴とする請求項１記載の角度センサ。
前記検出対象面に前記鏡面体の替わりに１次元回折格子が設けられ、前記１次元回折格子に光ビームを投光するための光源を設け、前記光源から投光された光ビームによる回折光反射成分のうち、０次光並びに１次光を角度検出に用い、前記１次元回折格子からの回折光反射光の光路中に複数の光検出素子である単素子ＰＤを配置する事で、ローリングを含めた３軸角度が検出可能である事を、特徴とする請求項１または２記載の角度センサ。
前記１次元回折格子からの回折光反射成分の１次光を検出する前記光検出素子により、ローリング角度変位を検出するようにしたことを、特徴とする請求項３記載の角度センサ。