JPH09166413A - 光学的変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光てこ方式の光学的変位検出装置において、
カンチレバーの撓み方向（上下方向）への変位しか検出
できず、被測定物が平行移動した場合にはその変位を全
く検出することができない。 【解決手段】 従来は必須構成であったカンチレバーと
その表面に設置される平面鏡に代えて、曲面鏡のみでこ
れをする。全体構成が簡易、小型化、安価となった上、
上下、左右方向への移動をも検出することができ、ま
た、構成に機械的な力が加わらないので、経時的にも安
定し、信頼度の高い検出を長期間にわたって可能とし
た。さらには、従来のカンチレバーの曲げ曲面よりも高
い任意の曲率を有する曲面鏡を使用することにより、従
来のものよりも変位量の増幅率も大幅に向上させること
ができ、より高い精度での変位検出が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光てこ原理を利用し
た光学的変位検出装置に関し、特に２次元または３次元
ステージ等被測定物の微小変位の検出に好適に利用され
る。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の光学的変位検出方式の１つと
して「光てこ方式」が知られている。この光てこ方式の
原理説明図を図２に示す。一般に、可撓性材料からなる
カンチレバー（片持ち梁）の自由端の下面を図外の被測
定物に固定または接触させておくことにより、該自由端
の変位量を被測定物の変位量として検出する。

【０００３】該自由端の変位量の検出には、光学反射が
利用される。カンチレバー自由端の上面は反射板を取付
け或いは研磨することにより光の平面反射を可能とさ
れ、レーザ光源ＬＤから発せられる測定光を前記カンチ
レバーの反射面に照射して、カンチレバーの変位により
生ずる該反射面に対するレーザ光の入射角の変化をフォ
トダイオードアレイ等の光センサの入射位置の変化とし
て検出することにより、カンチレバー自由端、即ち被測
定物の変位量を知る。

【０００４】このような検出方法によれば、測定光の入
射角の微小変化が光センサの入射位置の変化量Ｌ２とし
て増幅して検出されるため（図２（ｂ）参照）、カンチ
レバー自由端の変位量Ｌ１を高感度に検出することがで
きるという利点がある。

【０００５】或いは、光てこ方式のものであって、光セ
ンサ側の検出方法として、反射光を２分割フォトダイオ
ードＰＤに入射させ、検出位置の変位を双方のＰＤに対
する入射光量の差として検出するようにしたものも考案
されている。この方法のものでは、カンチレバー自由端
からの反射光を臨界角プリズムを介した後にＰＤに入射
させることにより自由端の変位量Ｌ１を拡大してＰＤに
入射するような工夫がなされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な光てこ方式の変位検出装置は、次のような欠点を有し
ている。

【０００７】先ず第１に、図２の方式の最大の欠点とも
言えることは、カンチレバーの撓み方向（通常は上下方
向である）への変位しか検出できないことである。被測
定物が平行移動した場合にはその変位を全く検出するこ
とができない。

【０００８】また、カンチレバーは、梁の長さ、厚み、
材質等に撓み具合が大きく左右されるので、設計・製作
上、制約が多い。

【０００９】更に、カンチレバーには機械的な曲げ力が
繰り返し加えられるため、変形や疲労等により経時的に
信頼性が低下する。

【００１０】臨界角プリズムと２分割ＰＤを利用した検
出方法は、光学系の構造が複雑で装置全体が大型となる
上、高価である。

【００１１】本発明は、このような従来装置の課題を鑑
み、簡易にして３次元方向への微小変位を検出すること
ができる光学的変位検出装置を提供することを目的とす
るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光学的変位検出装置は、測定光を発す
る発光部と、被測定物の変位量との相関を持って測定光
の入射位置が移動するように構成される曲面を有する反
射鏡と、該反射鏡により反射する測定光の反射角度の変
化を測定可能な受光部とからなり、前記発光部から発せ
られ前記反射鏡の曲面部で反射される測定光の、被測定
物の変位に伴う反射角度の変化量から被測定物の変位量
を検出するようにしたことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光学的変位検
出装置の一実施例について図面を参照して説明する。

【００１４】図１に本発明に係る光学的変位検出装置の
基本構成を示す。例えば、被測定物として精密駆動Ｘ−
Ｙ−Ｚステージを挙げ、その微小な位置変位の検出につ
いて説明する。光学的変位検出装置は、測定光を発する
発光部としてのレーザダイオードＬＤ、被測定物である
ステージ上に設置されてこれと共に移動する曲面鏡Ｍ、
受光部としてのフォトダイオードアレイＰＤＡから構成
される。

【００１５】図１（ａ）はステージが初期位置にある状
態での検出状態を示している。ＬＤから発せられたレー
ザ光は、ステージ上の曲面鏡Ｍに照射されて反射し、Ｐ
ＤＡのある位置において受光される。図２（ｂ）実線に
示すようにステージが下方向にＬ１だけ微小変位した場
合には、レーザ光の曲面鏡Ｍへの入射位置が僅かにず
れ、ＰＤＡの検出位置が大きく変化する。即ち、ステー
ジの変位量Ｌ１をＰＤＡの変位量Ｌ２に増幅し、被測定
物の変位を高感度に検出している。ＰＤＡにおける変化
量Ｌ２は、既知の実測値、或いは理論値と比較され、実
際のステージの変位量Ｌ１が算出される。

【００１６】ステージが水平方向に移動した場合にも同
様にしてその変位量が高感度に測定される。

【００１７】図１の構成ではステージ自体の変位を検出
するため、平面鏡Ｍはステージ上に設置してあるが、平
面鏡Ｍは被測定物と相関的に移動する構成とすれば同様
の作用効果が得られる。ステージ上に真の被測定物を設
置して間接的に測定することは勿論、図３に示すように
被測定物には平面鏡のみを設置し、平面鏡からの反射光
を曲面鏡Ｍで再度反射させてＰＤＡに入射させるような
構成としても良く、構成の自由度が大幅に拡大される。
この構成では、被測定物の表面自体が平面反射面を成し
ている場合には、該平面鏡を設置する必要が無いことは
言うまでもない。

【００１８】被測定物の微小回転変位を検出する場合に
は、ラック＆ピニオン等の構成を採用し、ラックに曲面
鏡Ｍを設置することにより容易に適用できる。また、そ
の他の介在物を採用することも、被測定物と曲面鏡Ｍと
の相関移動関係が維持されるものであれば適宜選択する
ことができる。

【００１９】曲面鏡Ｍは、図では凸面鏡としたが、凹面
鏡とすることも勿論差し支えない。

【００２０】検出部にフォトダイオードアレイではな
く、２分割または４分割のフォトダイオードを採用し
て、各受光セルの出力の差を必要に応じて増幅し、これ
を検出信号としても良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明に係る光学的変位検出装置は、従
来の光てこ方式のものにおいて必須構成であったカンチ
レバーとその表面に設置される平面鏡に代えて、曲面鏡
のみでこれを構成したので、全体構成が簡易、小型化、
安価となり、構成や材質等の選択の自由度が拡大された
上、上下、左右方向への移動をも検出可能とすることが
できた。また、構成に機械的な力が加わらないので、経
時的にも安定し、信頼度の高い検出を長期間にわたって
可能とした。さらには、従来のカンチレバーの曲げ曲面
よりも高い任意の曲率を有する曲面鏡を使用することに
より、従来のものよりも変位量の増幅率も大幅に向上さ
せることができ、より高い精度での変位検出が可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る光学的変位検出装置の一実施例
を示す図である。

【図２】 従来の光てこ方式の光学的変位検出装置の構
成を示す図である。

【図３】 本発明に係る光学的変位検出装置の変形実施
例を示す図である。

【符号の説明】

ＬＤ … 発光部（レーザーダイオード） Ｍ … 曲面鏡 ＰＤＡ… 光センサ（フォトダイオードアレイ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定光を発する発光部と、被測定物の変
   位量との相関を持って測定光の入射位置が移動するよう
   に構成される曲面を有する反射鏡と、該反射鏡により反
   射する測定光の反射角度の変化を測定可能な受光部とか
   らなり、前記発光部から発せられ前記反射鏡の曲面部で
   反射される測定光の、被測定物の変位に伴う反射角度の
   変化量から被測定物の変位量を検出するようにしたこと
   を特徴とする光学的変位検出装置。