WO2015011848A1 - 変位計測装置及び変位計測方法 - Google Patents

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light
displacement
displacement measuring
measuring device
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冬樹 宮澤
康仁 萩原
貴樹 浜本
勝弘 小山
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Taiyo Yuden Co Ltd
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Taiyo Yuden Co Ltd
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    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/08—Testing mechanical properties

Definitions

  • the present invention relates to a displacement measuring apparatus and a displacement measuring method using optical interference.
  • Patent Document 1 discloses a displacement measuring device using optical interference.
  • This displacement measuring device includes a laser light source, a collimator lens, a first diffraction grating, a second diffraction grating, and an optical sensor in this order from the light source side.
  • the optical sensor diffracted light (for example, 1st order) diffracted by the first diffraction grating and diffracted light (for example, 1st order) generated by diffracting the 0th order light traveling straight through the first diffraction grating with the second diffracted light.
  • the interference light is detected.
  • This displacement measuring device measures a change in the distance between the first and second diffraction gratings, that is, a displacement to be measured based on a change in the amount of light due to the brightness of the interference light detected by the optical sensor (for example, patent document). 1 specification paragraphs [0020], [0023], [0027], see FIGS. 1 to 3).
  • the optical encoder described in Patent Document 2 includes a first slit plate, a second slit plate facing the first slit plate, and a detector that works in conjunction with the second slit plate.
  • the slit pitch of the second slit plate is smaller than the slit pitch of the first slit plate.
  • the detector detects the light transmitted through both the slits of the first and second slit plates, and generates a pulse signal corresponding to this detection. Occurs (see, for example, paragraph [0011] of Patent Document 2 and FIG. 3).
  • the displacement measuring device described in Patent Document 1 measures the relative displacement of these diffraction gratings in the direction along the optical axis of the two diffraction gratings.
  • the optical path difference between the two lights constituting the interference light increases.
  • the coherence of the light source decreases the amplitude of the interference light, that is, attenuates the amplitude. That is, there is a problem that the detection range becomes narrower as the distance between the diffraction gratings becomes larger.
  • An object of the present invention is to provide a displacement measuring device and a displacement measuring method capable of suppressing the detection range from becoming narrow.
  • a displacement measuring apparatus includes a light source, a first diffraction grating, a second diffraction grating, an optical sensor, and arithmetic processing means.
  • the first diffraction grating and the second diffraction grating are disposed along the path of the light beam from the light source, are relatively movable, and generate diffracted light, respectively.
  • the optical sensor includes a ⁇ n-order diffracted light generated from the second diffraction grating when + n-order diffracted light (n is a natural number of 1 or more) from the first diffraction grating is incident on the second diffraction grating;
  • the -n-order diffracted light from the first diffraction grating is incident on the second diffraction grating, and the interference light with the + n-order diffracted light generated from the second diffraction grating is detected.
  • the arithmetic processing means based on the signal obtained by the optical sensor, in the direction perpendicular to the optical axis of the first diffraction grating and the second diffraction grating, the first diffraction grating and the second diffraction grating The relative displacement of the diffraction grating is calculated.
  • the light from the light source enters the first diffraction grating and the second diffraction grating which are arranged along the path of the light beam from the light source and are relatively movable. Generating diffracted light from each of the first diffraction grating and the second diffraction grating.
  • the relative relationship between the first diffraction grating and the second diffraction grating in the direction orthogonal to the optical axes of the first diffraction grating and the second diffraction grating is calculated.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a basic optical system of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the relative displacement amount of the diffraction grating pair in the x direction and the voltage signal obtained by the PD.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the arithmetic circuit.
  • FIG. 4 shows an example in which the amplitude of the interference light decreases as the distance between the diffraction gratings increases in the optical system shown in the prior art document 1.
  • FIGS. 5A and 5B show the intensity distributions of signals obtained by the PD when the distance between the diffraction gratings is intentionally changed.
  • FIGS. 5A and 5B show the intensity distributions of signals obtained by the PD when the distance between the diffraction gratings is intentionally changed.
  • FIGS. 7A to 7D respectively show simulations of signals obtained by the PD in accordance with the optical path difference of the light constituting the interference light on the optical axis of the diffraction grating pair.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a functional configuration of the arithmetic circuit according to the second embodiment.
  • FIG. 9 shows the relationship between the relative displacement in the x direction of the diffraction grating pair and the voltage signal obtained by the PD.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing the configuration of the displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows the configuration of the second diffraction grating according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a functional configuration of the arithmetic circuit according to the third embodiment.
  • FIG. 13 shows signals obtained in the y 1 light receiving area A and the y 2 light receiving area of the PD.
  • FIG. 14 shows the second diffraction grating viewed in the z direction, out of the diffraction grating pair of the displacement measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows the light receiving area of the PD viewed in the z direction in this displacement measuring apparatus.
  • FIG. 16 shows waveform signals respectively obtained from the four light receiving areas.
  • FIG. 17 is a block diagram showing a functional configuration of an arithmetic circuit of the displacement measuring device.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a functional configuration of an arithmetic circuit of a displacement measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 19A to 19D show simulations of three waveform signals obtained in each light receiving region of the PD for each of different intensities of the zero-order light included in the interference light.
  • FIG. 20 shows an embodiment of a displacement measuring device including a holding mechanism for holding the optical system shown in FIG. 1, for example.
  • the displacement measuring apparatus does not measure the displacement of the diffraction grating pair in the direction along the optical axis, but relatively displaces the diffraction grating pair in a direction perpendicular to it.
  • the problem of a decrease in amplitude does not occur. Accordingly, problems such as a narrow detection range can be solved.
  • the first diffraction grating and the second diffraction grating may each have a plurality of grating lines, and the arithmetic processing unit may calculate the displacement along the arrangement direction of the plurality of grating lines.
  • the amount of interference light obtained by the optical sensor changes according to the relative displacement of the first and second diffraction gratings in the arrangement direction of the plurality of grating lines. Therefore, the arithmetic processing means can calculate the displacement in the arrangement direction.
  • the optical sensor receives the zero-order light that travels straight along the optical axis through the first diffraction grating and the second diffraction grating, so that the ⁇ n-order diffracted light generated by the second diffraction grating and The interference light with the 0th-order light may be detected. Between the first diffraction grating and the second diffraction grating so that an optical path difference between the ⁇ nth order diffracted light and the zeroth order light satisfies (2m + 1) ⁇ / 4 (m is an integer of 0 or more). The distance may be set. Thereby, since the optical sensor receives interference light with as low light intensity as possible, noise due to zero-order light can be suppressed.
  • the arithmetic processing means may include a detection value output unit that outputs a detection value of a waveform signal obtained by the optical sensor and having a periodicity corresponding to the lattice line pitch.
  • the detection value output unit may have a predetermined detection level set so that the arithmetic processing means outputs displacement at intervals smaller than the grid line pitch. Thereby, the arithmetic processing means can output the displacement at an interval smaller than the grid line pitch.
  • Either one of the first diffraction grating and the second diffraction grating may have a plurality of shift regions configured by being divided.
  • the plurality of shift regions may have lattice line patterns that are shifted from each other by a predetermined distance smaller than 1 ⁇ 2 of the lattice line pitch in the arrangement direction of the plurality of lattice lines.
  • the optical sensor may include a plurality of light receiving regions that receive the light emitted from the plurality of shift regions. Thereby, the phase of the signal obtained in each light receiving region can be shifted.
  • the arithmetic processing means may selectively switch signals obtained in the plurality of light receiving regions at a predetermined timing, and use the selected one signal for the arithmetic processing. Depending on the waveform shape of the signal obtained in the light receiving region, there is a signal region in which the detection sensitivity with respect to the change in the displacement amount is low. By selectively switching a signal to be processed at a predetermined timing, it is not necessary to set a signal region having a low detection sensitivity as a processing target, and measurement accuracy is improved.
  • the arithmetic processing means may include a detection value output unit and a switching unit.
  • the detection value output unit may output a detection value of a waveform signal having periodicity according to the lattice line pitch, which is obtained in each of the plurality of light receiving regions.
  • the switching unit may switch the processing target to the second waveform signal at a timing of detecting a predetermined detection value smaller than the amplitude peak value of the first waveform signal to be processed among the waveform signals.
  • the arithmetic processing means processes, as the predetermined detection value, a detection value at the intersection of the first waveform signal and the second waveform signal or a detection value at the same level as the detection value at the intersection. May be.
  • the arithmetic processing means includes a count unit that counts the intersections of waveform signals each obtained in the plurality of light receiving regions and having periodicity according to the grid line pitch, and based on the count value by the count unit, The displacement may be calculated. Since the intersection obtained from each waveform signal increases in accordance with the displacement, the arithmetic processing means can measure the displacement by counting the intersection.
  • the arithmetic processing means has a counting unit that counts the intersections of the waveform signals obtained in the plurality of light receiving regions, each having a periodicity corresponding to the lattice line pitch, and the average value of the waveform signals.
  • the displacement may be calculated based on a count value by the count unit.
  • the displacement measuring apparatus includes: a first holder that holds the light source and the first diffraction grating; a second holder that holds the second diffraction grating and the optical sensor unit; the first holder; You may further comprise the connection part which connects the said 2nd holder so that relative movement is possible along the direction orthogonal to the said optical axis.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a basic optical system of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the displacement measuring apparatus 100 includes a light source 12, a collimator lens 14, a diffraction grating pair 20, a PD (Photo Detector) 31 that is an optical sensor, and an arithmetic circuit 40.
  • the light source 12 is an LD (Laser Diode) or an LED (Light Emitting Diode), and is driven by a driver (not shown).
  • LD Laser Diode
  • LED Light Emitting Diode
  • the collimator lens 14 turns the light emitted from the light source 12 into parallel light 15. At least the light source 12 and the collimator lens 14 constitute an optical system that generates parallel light.
  • the diffraction grating pair 20 includes, for example, a transmission type first diffraction grating 21 and second diffraction grating 22.
  • the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 are arranged so as to face each other along the paths of the light beams from the light source 12 and the collimator lens 14, here along the optical axes of the light source 12 and the collimator lens 14. As described later, it is relatively movable in a predetermined direction.
  • the first diffraction grating 21 includes the incident parallel light 15 that travels straight on the optical axis of the diffraction grating pair 20 and the 0th order light 30a and + nth order diffracted light (n is a natural number of 1 or more, and so on). ) 23a and -n-order diffracted light 25a.
  • the second diffraction grating 22 emits the 0th-order light 30a emitted from the first diffraction grating 21 and incident on the second diffraction grating 22 as 0th-order light 30b that travels straight on the optical axis. Further, the second diffraction grating 22 generates a ⁇ n-order diffracted light 23b of the + n-order diffracted light 23a incident thereon, and generates a + n-order diffracted light 25b of the ⁇ n-order diffracted light 25a incident thereon.
  • the order of diffracted light generated from one light beam and bent to the right side of the one light beam is positive. Further, the order of the diffracted light that is bent to the left of the one light beam is negative.
  • the ⁇ nth order diffracted light 23b and the + nth order diffracted light 25b interfere with each other, and the interference light 27 is generated.
  • the PD 31 is disposed at a position where the interference light 27 is mainly detected. Specifically, the ⁇ nth order diffracted light 23b and the + nth order diffracted light 25b travel in a direction along the optical axis of the diffraction grating pair 20 (z direction in FIG. 1), and the interference light 27 is generated at a position including the optical axis. To do. Accordingly, the PD 31 that detects the interference light 27 is disposed on the optical axis of the diffraction grating 20.
  • the light on the optical axis also includes the 0th-order light 30, and the interference light including the 0th-order light 30 is referred to as interference light 28 for convenience of explanation.
  • ⁇ 1st order diffracted light is typically used as ⁇ nth order diffracted light.
  • ⁇ 2nd order and subsequent diffracted light is used. It may be used. In practice, there are many diffracted lights other than those shown in FIG. 1, but they are not shown for ease of explanation.
  • the diffracted lights of both the + nth order diffracted light 23a and the ⁇ nth order diffracted light 23b are hereinafter referred to as the first diffracted light 23 as necessary.
  • the diffracted light of both the ⁇ nth order diffracted light 25a and the + nth order diffracted light 25b is hereinafter referred to as the second diffracted light 25 as necessary.
  • the 0th-order light of both the 0th-order lights 30a and 30b is hereinafter referred to as 0th-order light 30.
  • the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 have substantially the same shape and the same size.
  • the diffraction grating 21 (and 22) has a plurality of grating lines 21a (and 22a) which are grooves along the y direction orthogonal to the z direction in FIG.
  • the pitch P of the grating lines 21a of the first diffraction grating 21 and the pitch P of the grating lines 22a of the second diffraction grating 21 are formed substantially the same.
  • the pitch P is 3.3 ⁇ m and the groove depth is 473 ⁇ m. Of course, it is not restricted to these values.
  • the displacement measuring apparatus 100 uses the relative displacement ⁇ x of the diffraction grating pair 20 in the x direction, which is the arrangement direction of the grating lines 21a and 22a, as a measurement target.
  • the measurable range is, for example, a submicrometer to micrometer order displacement.
  • two axes orthogonal to the z direction are defined as x and y axes.
  • the direction along the grating lines 21a and 22a of each diffraction grating is the y direction
  • the arrangement direction of the grating lines 21a and 22a is the x direction.
  • the second diffraction grating 22 and the PD 31 are integrally held, and can move integrally in the x direction with respect to the first diffraction grating 21.
  • the arithmetic circuit 40 mainly functioning as arithmetic processing means calculates a displacement ⁇ x by performing predetermined arithmetic processing based on a signal obtained by the PD 31.
  • the arithmetic circuit 40 mainly includes hardware such as an MPU (Micro Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory).
  • the arithmetic circuit 40 may include a PLD (Programmable Logic Device) such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) in addition to or instead of the MPU, or a DSP (Digital Signal Processor), ASIC. (Application Specific Integrated Circuit) or the like may be provided.
  • the arithmetic circuit 40 may be configured by a plurality of physically separated chip packages or elements.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the relative displacement ( ⁇ m) in the x direction of the diffraction grating pair 20 and the voltage signal obtained by the PD 31.
  • the pitch of the grating lines 21a and 22a of the diffraction grating pair 20 is, for example, 3.3 ⁇ m
  • the center wavelength of the light from the light source 12 is 850 nm.
  • the PD 31 outputs a waveform signal having periodicity for each pitch P of the lattice lines 21a and 22a. That is, for each pitch P, the PD 31 obtains an amount of light with one set of light and dark sets of the grid lines as one cycle.
  • the waveform signal having periodicity is typically a sin waveform signal.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the arithmetic circuit 40.
  • the arithmetic circuit 40 mainly includes an A / D converter 41, a data reference unit 42, and a data storage unit 43.
  • the A / D converter 41 functions as a detection value output unit that converts the analog signal output from the PD 31 into a digital value and outputs the digital value.
  • the A / D converter 41 counts the number of waves of the input signal, for example, by counting the frequency of the waveform signal, and outputs this count value.
  • the data storage unit 43 is a lookup table that correlates the wave value (corresponding to the count value) of the waveform signal detected by the PD 31 by the relative movement of the diffraction grating pair 20 and the relative displacement amount of the diffraction grating pair 20. Store the data.
  • the table data is stored in the memory when the displacement measuring apparatus 100 is manufactured.
  • the data reference unit 42 extracts a displacement amount corresponding to the count value of the wave number counted by the A / D converter 41 from the data storage unit 43, and outputs this. That is, the arithmetic circuit 40 can measure the amount of displacement in units of the pitch of the grating lines 21a and 22a of each diffraction grating.
  • the signal value obtained by the PD 31 is 0, and the relative displacement amount of the diffraction grating pair 20 is 0.
  • the form and arrangement of the PD 31, the circuit of the arithmetic circuit 40 and the program thereof are designed.
  • the arithmetic circuit 40 may have a reset function that sets the amount of displacement at the reference position of the diffraction grating pair 20 to zero. This is effective as a calibration method when, for example, the displacement value output from the arithmetic circuit 40 at the reference position of the diffraction grating pair 20 does not become zero due to a change with time of the displacement measuring apparatus 100.
  • the arithmetic circuit 40 may have a function of updating the table data in the data storage unit 43 using the information at the time of calibration.
  • the displacement measuring apparatus 100 does not measure the displacement of the diffraction grating pair 20 in the direction along the optical axis, but relatively displaces the diffraction grating pair 20 in the direction orthogonal thereto. Measure the displacement. Accordingly, in principle, the amplitude of the interference light decreases as the distance between the diffraction gratings 21 and 22 increases (see, for example, FIG. 4: the horizontal axis of the graph in FIG. 4 indicates the distance between the diffraction gratings, that is, the distance in the z direction). This does not happen. Therefore, problems such as a narrow detection range can be solved.
  • the path lengths (optical path lengths) of the first diffracted light 23 and the second diffracted light 25 are substantially the same, that is, no optical path difference occurs. Therefore, even if the distance between the diffraction gratings 21 and 22 varies, the amplitude of the interference light is not affected, and an appropriate amplitude of the interference light can be obtained.
  • FIG. 5A shows the intensity distribution of a signal obtained by the PD 31 when the distance between the diffraction gratings 21 and 22 is 15 ⁇ m
  • FIG. 5B shows the signal obtained by the PD 31 when the distance is 23 ⁇ m. That is, the value on the vertical axis indicates the light intensity that is the output value of the optical sensor, the horizontal axis indicates the position (mm) in the x direction shown in FIG. 1, and the position through which the optical axis passes is 0 mm.
  • FIGS. 6A and 6B show the signal intensity obtained by the second PD when another interference light is detected by the second PD arranged at a position shifted from the optical axis of the diffraction grating pair 20.
  • the distribution is shown (intensity distribution on the right side of the graph), and the intensity distribution of the signal obtained from the optical axis PD on the optical axis is shown (intensity distribution in the center in the graph).
  • the different interference lights are the first order diffracted light generated from the second diffraction grating when the 0th order light from the first diffraction grating enters the second diffraction grating, and the first order diffracted light from the first diffraction grating is the first order diffracted light.
  • This is interference light with zero-order light that is incident on the second diffraction grating and is generated from the second diffraction grating (see FIG. 1 of Patent Document 1).
  • the light receiving area of the second PD is arranged at a position of approximately 3 to 5 mm.
  • the PD 31 receives not only the interference light 27 but also the zero-order light 30 that travels straight along the optical axis of the diffraction grating pair 20. That is, in practice, the PD 31 receives three light interference lights 28 (see FIG. 1) of the first diffracted light 23, the second diffracted light 25, and the 0th-order light 30. However, the 0th-order light 30 is basically unnecessary for the measurement process of the displacement ⁇ x, and the 0th-order light appears as noise in the output signal of the PD 31.
  • the distance between the diffraction gratings 21 and 22 (distance in the z direction) is set to a predetermined distance in order to suppress the generation of noise due to the zero-order light 30.
  • the distance is such that the optical path difference between the three light beams of the zero-order light, the first diffracted light 23 and the second diffracted light 25 constituting the interference light 28 is (2m + 1) ⁇ / 4 (m is an integer of 0 or more) ).
  • the optical path difference does not substantially occur in the first diffracted light 23 and the second diffracted light 25, the zero-order light and the first diffracted light 23 (or the second diffracted light 23 (or the second diffracted light 23) are substantially not generated.
  • the optical path difference with the diffracted light 25) may satisfy the above formula.
  • the arrangement of the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 is set so that the optical path differences are 0.25 ⁇ , 0.75 ⁇ , 1.25 ⁇ ,.
  • the PD 31 receives the interference light 28 having a light intensity as low as possible, which suppresses noise caused by the zero-order light. Means.
  • a waveform indicated by a broken line indicates that another interference light is generated by a PD (the second PD) arranged at a position shifted from the optical axis according to the relative displacement of the diffraction grating pair. This is a waveform when detected.
  • the other interference light is the + 1st order diffracted light generated from the second diffraction grating when the 0th order light from the first diffraction grating is incident on the second diffraction grating, and the first diffraction grating.
  • + 1st order diffracted light is incident on the second diffraction grating and is interference light with 0th order light generated from the second diffraction grating (see FIG. 1 of Patent Document 1).
  • the PD 31 can obtain a waveform signal having a periodicity of an appropriate shape.
  • FIGS. 7B and 7D when the optical path difference is 0.5 ⁇ and ⁇ , a signal having high light intensity but including noise due to zero-order light is obtained.
  • the A / D converter 41 counts the wave number of the waveform signal, but it may output one count for each half wavelength by detecting the upper peak and the lower peak.
  • the displacement measuring apparatus can measure the displacement with a resolution (for example, 1.65 ⁇ m) half of the lattice line pitch (for example, 3.3 ⁇ m).
  • the same members, functions, etc. included in the displacement measuring apparatus 100 according to the embodiment shown in FIG. 1 and the like will not be described or will be mainly described.
  • the principle of generation of interference light by the diffraction grating pair is the same as that in the first embodiment.
  • the structure of the displacement measuring apparatus 100 shown in FIG. 1 is typically used.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of the arithmetic circuit according to the second embodiment.
  • FIG. 9 shows the relationship between the relative displacement ( ⁇ m) in the x direction of the diffraction grating pair 20 and the voltage signal obtained by the PD 31, and is a graph having a scale smaller than the horizontal axis of the graph of FIG. is there.
  • the vertical axis of the graph of FIG. 9 is normalized with the overall amplitude of the voltage waveform signal set to 1 so that the lightness (or intensity) of the interference light, which is the amount of light received by the PD 31, is 1 and maximum.
  • the arithmetic circuit 140 divides the overall amplitude of the vertical axis of the graph by a plurality of predetermined voltage levels (detection levels), and monitors the waveform signal at those voltage levels. That is, the A / D converter 41 has a predetermined voltage level set so that the arithmetic circuit 40 outputs displacement at intervals smaller than the grid line pitch.
  • the data storage unit 43 stores the voltage level and the count value in association with the displacement amount for each divided voltage level and for each count value of the wave number. Since the waveform of the signal is not linear but a sin curve, for example, unequal voltage values are selected and stored so that the interval for each stored displacement amount is constant.
  • the A / D converter 41 since two identical voltage values appear within one wavelength of the signal, the A / D converter 41 counts a wave of twice the frequency, that is, a half wavelength, as one. Output the count value. In this case, the A / D converter 41 can count the wave number by counting both the upper peak and the lower peak of the waveform signal, with one half wavelength as one. The A / D converter 41 outputs a voltage value in units of the voltage level currently being measured.
  • the data reference unit 42 acquires the count value counted by the A / D converter 41 and the voltage value output from the A / D converter 41.
  • the data reference unit 42 extracts a displacement amount corresponding to the acquired count value and voltage value from the data storage unit 43 and outputs this.
  • the arithmetic circuit 140 can measure the displacement amount with an accuracy smaller than the pitch of the grating lines 21a and 22a of each diffraction grating, for example, a unit of 100 nm.
  • the data storage unit 43 stores the voltage levels at equal intervals, and the arithmetic circuit 140 uses only the linear region of the waveform signal so as to shift at equal intervals as in a third embodiment described later. An amount may be output.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing the configuration of the displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows the configuration of the second diffraction grating according to the third embodiment.
  • the region through which light is transmitted in the second diffraction grating 122 of the displacement measuring apparatus 200 is divided into a plurality of regions, for example, two regions 122A and 122B in the y direction. These two areas are referred to as “y 1 shift area” and “y 2 shift area” for convenience.
  • the pitch of each lattice line in the y 1 shift region 122A and the y 2 shift region 122B is substantially the same.
  • the grid line pattern in the y 1 shift region 122A is shifted by a predetermined distance smaller than 1 ⁇ 2 of the pitch of the grid lines 123 in the x direction with respect to the grid line pattern in the y 2 shift region 122B.
  • each grid line pattern is formed at a position shifted by 1 ⁇ 4 pitch.
  • the PD 33 that is the optical sensor according to the present embodiment is divided into a plurality of regions, for example, two light receiving regions 33A and 33B in the y direction so as to correspond to the plurality of regions of the second diffraction grating 122. It is configured. These light receiving areas are referred to as “y 1 light receiving area” and “y 2 light receiving area” for convenience. That is, of the interference light 27 (or 28) (see FIG. 1) emitted from the second diffraction grating 122, the light emitted from the y 1 shift region 122A enters the y 1 light receiving region 33A. Further, the light emitted from the y 2 shift region 122B enters the y 2 light receiving region 33B.
  • the diffraction grating pair 120 is configured to be relatively movable in the x-axis direction.
  • the second diffraction grating 122 is held so as to be movable integrally with the PD 33.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a functional configuration of the arithmetic circuit according to the present embodiment.
  • a channel of a signal input to the arithmetic circuit 240 a channel to which a signal obtained in the y 1 light receiving region 33A of the PD 33 is input is channel 1 (ch.1), and a signal obtained in the y 2 light receiving region 33B is The input channel is channel 2 (ch.2).
  • the arithmetic circuit 240 includes an A / D converter 41, a data reference unit 42, and a data storage unit 43 for channels 1 and 2, respectively. These blocks basically function in the same manner as each block of the arithmetic circuit 140 described in the second embodiment (see FIG. 8).
  • the arithmetic circuit 240 has switches 44 and 45 for switching ON / OFF of the output from each data reference section 42, and also has an output timing control section 46 for controlling the operation of the switches 44 and 45.
  • the output timing control unit 46 acquires the count value and the voltage value of each of the channels 1 and 2, and controls one of the channels 1 and 2 by controlling the operation of the switches 44 and 45 based on these values.
  • the displacement amount of is output. That is, the output timing control unit 46 functions as a switching unit that switches the amount of displacement to be output (that is, an arithmetic processing target) by selectively switching the switches 44 and 45 alternately.
  • FIG. 13 shows signals obtained from the PD 33, that is, signals obtained from the y 1 light receiving area 33A and the y 2 light receiving area 33B (first waveform signal S1 and second waveform signal S2), respectively.
  • the horizontal axis is displacement
  • the vertical axis is a detection value (voltage value) representing the amount of received light.
  • the lattice line patterns are shifted from each other by a quarter of the lattice line pitch, so that the phases of the signals S1 and S2 are also shifted by a quarter. .
  • the output timing control unit 46 when the diffraction grating pair 122 is relatively moved in the direction in which the displacement amount of the diffraction grating pair 120 is increased, the output timing control unit 46, as shown in FIG. 13, points A, B, C, D, E,. • Switch the outputs of channels 1 and 2 to each other in order. For example, the output timing control unit 46 outputs the displacement amount using the signal S2 from the points B to C (using the channel 2), and uses the signal S1 at the timing to obtain the count value and the detection value at the point C. To output the displacement amount (using channel 1).
  • the switching order is in the reverse direction such as points I, H, G,.
  • Points C, F, I,... are intersections of the signals S1 and S2.
  • Point A is a detection value at the same level as point C
  • point D is the same detection value as point F
  • point G is the same detection value as point I.
  • Point B shows the same amount of displacement as point A
  • point E shows the same amount of displacement as point D
  • point H shows the same amount of displacement as point G.
  • the output timing control unit 46 switches to the signal S2 (or signal S1) and switches before reaching the peak of the signal S1 (or S2) (at a timing at which a predetermined detection value smaller than the amplitude peak value is detected).
  • the later signal is set as a signal to be arithmetically processed. That is, measurement accuracy can be increased by using a linear region that is a region with good detection sensitivity among the detection values of the signals S1 and S2.
  • the arithmetic circuit 240 calculates the difference between the signals S1 and S2, and sets the timing when this becomes 0 as the intersections C, F, I,. It may be the timing of.
  • the shift amount of the grid line pattern is set to 1 ⁇ 4.
  • any shift amount may be used as long as the shift amount is less than 1 ⁇ 2, such as 3, 5, and the like.
  • the points A and C or the points D and F have the same detection values as the intersections of the signals S1 and S2, but other points other than the intersections may be set as switching timing points.
  • one optical sensor has a plurality of light receiving areas, but a plurality of light receiving areas may be configured by a plurality of physically separated optical sensors.
  • FIG. 14 shows the second diffraction grating viewed in the z direction, out of the diffraction grating pair of the displacement measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows the light receiving area of the PD viewed in the z direction in this displacement measuring apparatus.
  • the second diffraction grating 222 of the diffraction grating pair of the displacement measuring apparatus has a plurality of shift regions divided into the y direction, for example, four shift regions 222A, 222B, 222C, and 222D.
  • the pitches of the lattice lines 223 in these four shift regions are substantially the same.
  • the lattice line patterns of the three shift regions 222A, 222B, and 222C among the four shift regions are arranged so as to be shifted from each other in the x direction by 1/6 of the lattice line pitch.
  • the lattice line pattern of the other shift region 222D is one-third of the lattice line pitch with respect to the lattice line pattern of the shift regions 222A and 222C out of the three shift regions 222A, 222B, and 222C.
  • the shift region 222D is referred to as a “reference shift region”.
  • the arrangement of the three shift regions 222A, 222B and 222C and the reference shift region 222D in the second diffraction grating 222 is not limited.
  • the reference shift region 222D may be disposed between two of the three shift regions and one other shift region.
  • the light receiving area of the PD 34 corresponds to each of the shift areas 222A to 222D of the second diffraction grating 222 configured as described above, for example, a plurality of light receiving areas, for example, four light receiving areas 34A. 34D, divided in the y direction.
  • the interference light 27 (or 28) (see FIG. 1) to be detected the light receiving areas 34A to 34D of the PD 34 detect light emitted from the shift areas 222A to 222D, respectively.
  • the light receiving area 34D is hereinafter referred to as “reference light receiving area”.
  • FIG. 16 shows waveform signals respectively obtained from these four light receiving regions.
  • the phase of the waveform signal S4 obtained in the reference light receiving region 34D is shifted by 120 ° from the phase of the waveform signals S1 and S3 obtained in the light receiving regions 34A and 34C.
  • the phases of the waveform signals S1 to S3 obtained in the three light receiving areas 34A to 34C are shifted from each other by 60 °.
  • FIG. 17 is a block diagram showing a functional configuration of an arithmetic circuit of the displacement measuring device.
  • the arithmetic circuit 340 includes a count unit 341, a data reference unit 342, and a data storage unit 343.
  • Waveform signals S1 to S4 are input to the count unit 341 via channels 1 to 4.
  • the counting unit 341 counts intersections of these waveform signals S1 to S4, and the arithmetic circuit 340 calculates the displacement ⁇ x based on the count value. Specifically, for example, when determining the timing of the intersection point a between the signals S4 and S1, the count unit 341 monitors the timing when the difference between the signals S4 and S1 becomes 0 (or a threshold value close to 0 or less). In this way, the counting unit 341 counts the intersections a, b, c,... K of the signals S1 to S4.
  • the counting unit 341 may include an A / D converter and perform digital processing, but does not include an A / D converter, and can perform intersection counting even by analog processing.
  • the data storage unit 343 stores a count value and a displacement amount in advance in association with each other.
  • the data reference unit 342 extracts a displacement amount corresponding to the intersection count value output from the count unit 341 from the data storage unit 343, and outputs this as a displacement amount ⁇ x.
  • a point l shown in white is not an intersection of waveform signals, but is a timing point at which the signal S1 becomes 0 at the timing next to the point k.
  • the counting unit 341 also counts this point l exceptionally, and the data reference unit 342 can output a displacement corresponding to this point l. Thereby, the arithmetic circuit 340 can output the displacement amount of equal intervals.
  • the arithmetic circuit 340 can output the displacement at an interval sufficiently smaller than the pitch of the grating line. That is, highly accurate displacement measurement is possible.
  • the second diffraction grating may have three shift regions, and the PD may have three light receiving regions corresponding to them.
  • the lattice line patterns of the three shift regions are shifted by 1/3 of the lattice line pitch in the x direction.
  • the PD can output three waveform signals having phases shifted from each other by 120 ° from their light receiving regions. Then, the arithmetic circuit can acquire these three waveform signals, count their intersections, and calculate the displacement amount based on the count value.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a functional configuration of an arithmetic circuit of a displacement measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the displacement measuring apparatus according to the fifth embodiment includes the second diffraction grating having three shift regions as described above, and a PD having three light receiving regions corresponding to the shift regions. Is provided.
  • the arithmetic circuit 440 includes an A / D converter 41, a count unit 341, an average value calculation unit 444, a data reference unit 442, and a data storage unit 443.
  • the three A / D converters 41 obtain waveform signals obtained from the three light receiving regions of the PD via the channels 1 to 3 and output digital values of the respective waveform signals.
  • the average value calculation unit 444 calculates each value acquired from the A / D converter 41, that is, an average value of three waveform signals.
  • the count unit 441 counts the intersections between the average value and the value forming each waveform signal acquired from the A / D converter 41, and outputs the count value.
  • the data storage unit 443 stores a count value and a displacement amount in advance in association with each other.
  • 19A to 19D show the above 1.
  • the PD detects the interference light 28 including the 0th-order light 30, for each different intensity of the 0th-order light 30 included in the interference light 28, in each light receiving region of the PD.
  • a simulation of the three waveform signals obtained is shown. These graphs also show the average values of these three waveform signals.
  • the ratios of the intensity of the 0th-order light 30 included in the interference light 28 are 0%, 2%, 4%, and 6%, respectively.
  • the data reference unit 442 extracts a displacement amount corresponding to each of the intersection points a, b, c,... (See FIGS. 19B to 19D) counted by the count unit 441 from the data storage unit 443, and outputs this.
  • each average detected by the detection level of the average value is obtained by obtaining an average value that is a line following the noise of the zero-order light.
  • Waveform signal values (intersection points) appear at precise intervals in the displacement direction. Therefore, the arithmetic circuit 440 can calculate an accurate displacement based on the count values of these intersections.
  • the displacement measuring apparatus forms three waveform signals. However, as in the above-described embodiment, two or more waveform signals are formed, and these waveform signals and the average value are obtained. The intersection may be counted, and the displacement may be output based on the count value.
  • FIG. 20 shows an embodiment of a displacement measuring device 100 (or 200) including a holding mechanism that holds the optical system shown in FIG.
  • the holding mechanism 50 includes a box-shaped first holder 51 and second holder 52.
  • the first holder 51 integrally supports the light source 12, the collimator lens 14, and the first diffraction grating 21.
  • the second holder 52 integrally supports the second diffraction grating 22 and the PD 31.
  • a mounting substrate 53 on which the light source 12 is mounted is attached to one end of the first holder 51.
  • the first diffraction grating 21 is attached to the other end of the second holder 52.
  • the second diffraction grating 22 is attached to one end of the second holder 52, and the mounting substrate 54 on which the PD 31 is mounted is attached to the other end of the second holder 52.
  • the first holder 51 is formed with a passage 58 through which light emitted from the light source 12 enters the first diffraction grating 21 via the collimator lens 14.
  • the second holder 52 is formed with a passage 59 for the interference light 27 (see FIG. 1) emitted from the second diffraction grating 22 to mainly enter the PD 31.
  • the holding mechanism 50 includes a support mechanism 150 that supports the first holder 51 and the second holder 52 so as to be slidable in the x direction.
  • the support mechanism 150 functions as a connection portion that connects the holders 51 and 52 so as to be relatively movable in the x direction.
  • the support mechanism 150 includes a slide shaft 55 that extends in the x direction.
  • a through hole in the x direction (not shown) is formed at the bottom (lower part in the y direction in the figure) of the first holder 51 and the second holder 52, and the slide shaft 55 is inserted into the through hole.
  • two slide shafts 55 are provided in one holder.
  • the support mechanism 150 includes an elastic member 57 that elastically connects the first holder 51 and the second holder 52.
  • the elastic member 57 is provided, for example, so as to connect the side surfaces of the first holder 51 and the second holder 52, and is provided, for example, on both side surfaces.
  • the elastic member 57 has a structure or shape that can be elastically deformed mainly by resin, metal, or the like.
  • the first holder 51 is fixed to a first part (not shown) of the measurement object, and the second holder 52 is attached to a second part (not shown) of the measurement object.
  • This displacement measuring device 100 is attached to the measurement object so that is fixed. Thereby, the displacement of the x direction of the 1st and 2nd site
  • the arithmetic circuit basically outputs a displacement by referring to a lookup table that associates a count value (and voltage level) with a displacement amount.
  • the arithmetic circuit may output the displacement using a predetermined arithmetic expression.
  • the arithmetic circuit stores a predetermined unit displacement amount and multiplies the count value by the unit displacement amount, or adds the unit displacement amount every time the count value is obtained. For example, when one count is performed at one wavelength of the waveform signal, the unit displacement corresponds to the lattice line pitch, and when one count is performed at the half wavelength of the waveform signal, the unit displacement corresponds to 1 ⁇ 2 of the grid line pitch. .
  • the shift region is provided in the second diffraction grating, but may be provided in the first diffraction grating.
  • the second diffraction grating 122 or 222 shown in FIG. 11 or 14 has a plurality of shift regions arranged in the y direction, but may have a plurality of shift regions arranged in the x direction.
  • the optical sensor also has a plurality of light receiving regions arranged in the x direction. Further, in this case, the relative arrangement of each grid line pattern and each light receiving area is taken such that the grid line patterns of each shift area are shifted from each other by a predetermined distance smaller than 1 ⁇ 2 of the grid line pitch in the x direction. .
  • the displacement measuring device having the configuration shown in FIGS. 10 to 12 does not perform switching, but calculates the displacement based on the count value of the intersection as in the process shown in the fourth or fifth embodiment. Also good.

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Abstract

　検出レンジが狭くなることを抑えることができる変位計測装置及び変位計測方法を提供する。変位計測装置（１００）、光源（１２）、コリメータレンズ（１４）、回折格子対（２０）、ＰＤ（３１）を備える。ＰＤは、第１の回折格子（２１）による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）が第２の回折格子（２２）に入射して第２の回折格子から発生する－ｎ次回折光と、第１の回折格子による－ｎ次回折光が第２の回折格子に入射して第２の回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光（２７）を検出する。演算回路（４０）は、ＰＤにより得られる干渉光の周期的な受光量の変化に応じて、回折格子対の光軸に直交する方向における、回折格子対の相対的な変位を算出する。 すなわち、回折格子対のｚ方向の相対的な移動の変位を検出対象としないので、干渉光の減衰が起こらない。これにより、検出レンジの狭小化を抑えることができる。

Description

変位計測装置及び変位計測方法

　本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及び変位計測方法に関する。

　例えば特許文献１には、光干渉を利用した変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源側から順に、レーザ光源、コリメータレンズ、第１の回折格子、第２の回折格子及び光センサを備えている。光センサは、第１の回折格子で回折された回折光（例えば１次）と、第１の回折格子を直進した０次光が第２の回折光で回折されて発生する回折光（例えば１次）との干渉光を検出する。この変位計測装置は、光センサで検出される干渉光の明暗による光量の変化に基づき、第１及び第２の回折格子の距離の変化、つまり計測対象となる変位を計測する（例えば、特許文献１の明細書段落［００２０］、［００２３］、［００２７］、図１～３等参照）。

　特許文献２に記載の光学式エンコーダーは、第１のスリット板と、これに対向する第２のスリット板と、この第２のスリット板と連動する検知器とを備える。第２のスリット板のスリットのピッチは、第１のスリット板のスリットのピッチより小さい。第１のスリット板に対する第２のスリット板の移動により、検知器が、第１及び第２のスリット板のそれぞれ両方のスリットを介して透過する光を検知し、この検知に応じたパルス信号を発生する（例えば、特許文献２の明細書段落［００１１］及び図３参照）。

国際公開第２０１１／０４３３５４号パンフレット 特開平７－３１８３７２号公報

　特許文献１に記載の変位計測装置は、上述したように、２つの回折格子の光軸に沿う方向における、これら回折格子の相対変位を計測する。このような変位計測装置の場合、回折格子間の距離が大きくなるほど、干渉光を構成する２つの光のそれぞれの光路差が大きくなる。光路差が大きくなると、光源が持つコヒーレンス性によって、干渉光の振幅が低下、つまり振幅が減衰する。すなわち、回折格子間の距離が大きくなるほど、検出レンジが狭くなるという問題がある。

　本発明の目的は、検出レンジが狭くなることを抑えることができる変位計測装置及び変位計測方法を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明に係る変位計測装置は、光源と、第１の回折格子と、第２の回折格子と、光センサと、演算処理手段とを具備する。

　前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する。

　前記光センサは、前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する－ｎ次回折光と、前記第１の回折格子による－ｎ次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を検出する。

　前記演算処理手段は、前記光センサで得られた信号に基づき、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の相対的な変位を算出する。

　本発明に係る変位計測方法は、光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な第１の回折格子及び第２の回折格子に、前記光源からの光が入射することにより、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子から回折光をそれぞれ発生させることを含む。　前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する－ｎ次回折光と、前記第１の回折格子による－ｎ次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光が、光センサにより検出される。

　前記光センサで得られた信号に基づき、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の相対的な変位が算出される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。 図２は、回折格子対のｘ方向における相対的な変位量と、ＰＤで得られる電圧信号との関係を示すグラフである。 図３は、演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図４は、先行文献１に示す光学系において、回折格子間の距離が大きくなるほど干渉光の振幅が低下する例を示す。 図５Ａ及びＢは、回折格子間の距離を意図的に変えた場合に、ＰＤで得られる信号の強度分布をそれぞれ示す。 図６Ａ及びＢは、第１の実施形態に係る変位計測装置に、回折格子対の光軸からずれた位置に別のＰＤを加え、そのＰＤで別の干渉光を検出した場合に、それら２つのＰＤで得られる信号の強度分布をそれぞれ示す。 図７Ａ～Ｄは、回折格子対の光軸上の干渉光を構成する光の光路差に応じて、ＰＤで得られる信号のシミュレーションをそれぞれ示す。 図８は、第２の実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図９は、回折格子対のｘ方向における相対的な変位量と、ＰＤで得られる電圧信号との関係を示す。 図１０は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。 図１１は、第３の実施形態に係る第２の回折格子の構成を示す。 図１２は、第３の実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図１３は、ＰＤのｙ1受光領域Ａ及びｙ2受光領域で得られる信号を示す。 図１４は、本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の回折格子対のうち、ｚ方向で見た第２の回折格子を示す。 図１５は、この変位計測装置においてｚ方向で見たＰＤの受光領域を示す。 図１６は、４つの受光領域からそれぞれ得られる波形信号を示す。 図１７は、この変位計測装置の演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図１８は、本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の演算回路の機能的構成を示すブロック図である。 図１９Ａ～Ｄは、干渉光に含まれる０次光の、それぞれ異なる強度ごとの、ＰＤの各受光領域で得られる３つの波形信号のシミュレーションを示す。 図２０は、例えば図１に示した光学系を保持する保持機構含む変位計測装置の一実施形態を示す。

　上記した発明に係る変位計測装置は、回折格子対の光軸に沿う方向の変位を計測するのではなく、それとは直交する方向に回折格子対を相対的に変位させるので、原理的に干渉光の振幅の低下という問題は起こらない。したがって、検出レンジが狭くなる等の問題も解消できる。

　また、干渉光を構成するそれら２つの回折光には光路差が生じないので、たとえ回折格子間の距離が変動したとしても、その干渉光の振幅に影響を及ぼさず、干渉光の適切な振幅を得ることができる。

　前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、複数の格子線をそれぞれ有し、前記演算処理手段は、前記複数の格子線の配列方向に沿う前記変位を算出してもよい。光センサで得られる干渉光の光量は、複数の格子線の配列方向における相対的な第１及び第２の回折格子の変位に応じて変化する。したがって、演算処理手段は、その配列方向における変位を算出することができる。

　前記光センサは、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子を前記光軸に沿って直進する０次光を受けることにより、前記第２の回折格子により発生する前記±ｎ次回折光と、前記０次光との干渉光を検出してもよい。前記±ｎ次回折光と、前記０次光との光路差が、（２ｍ＋１）λ／４（ｍは０以上の整数）を満たすように、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子間の距離が設定されていてもよい。これにより、光センサは、できるだけ光強度の低い干渉光を受けるので、０次光によるノイズを抑制することができる。

　前記演算処理手段は、前記光センサで得られた、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する検出値出力部を有してもよい。前記検出値出力部は、前記演算処理手段が前記格子線ピッチより小さい間隔で変位を出力するように設定された所定の検出レベルを有してもよい。これにより、演算処理手段が格子線ピッチより小さい間隔で変位を出力することができる。

　前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子のうちいずれか一方は、分割されて構成される複数のシフト領域を有してもよい。前記複数のシフト領域は、前記複数の格子線の配列方向に、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有してもよい。前記光センサは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有してもよい。これにより、受光領域でそれぞれ得られる信号の位相をシフトさせることができる。

　前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる信号を、所定のタイミングで選択的に切り替え、選択した１つの信号を演算処理に用いてもよい。受光領域で得られる信号の波形形状によっては、変位量の変化に対する検出感度が低くなる信号領域がある。処理対象の信号を、所定のタイミングで選択的に切り替えることにより、低い検出感度の信号領域を処理対象とする必要がなくなり、計測精度が向上する。

　前記演算処理手段は、検出値出力部と、切替部とを有してもよい。前記検出値出力部は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力してもよい。前記切替部は、前記波形信号のうち処理対象とされた第１の波形信号の振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで、処理対象を第２の波形信号に切り替えてもよい。

　前記演算処理手段は、前記第１の波形信号と前記第２の波形信号との交点での検出値、または、前記交点での検出値と同じレベルの検出値を、前記所定の検出値として処理してもよい。

　前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の交点をカウントするカウント部を有し、前記カウント部によるカウント値に基づき、前記変位を算出してもよい。変位に応じて各波形信号から得られる交点は増えるので、演算処理手段は、交点をカウントすることにより変位を計測することができる。

　あるいは、前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号と、それら波形信号の平均値との交点をカウントするカウント部を有し、前記カウント部によるカウント値に基づき、前記変位を算出してもよい。これにより、光センサが光軸上で進行する０次光を含む干渉光を検出する場合であっても、その０次光によるノイズを抑制することができる。

　前記変位計測装置は、前記光源及び前記第１の回折格子を保持する第１のホルダと、前記第２の回折格子及び前記光センサユニットを保持する第２のホルダと、前記第１のホルダ及び前記第２のホルダを、前記光軸に直交する方向に沿って相対移動可能に接続する接続部とをさらに具備してもよい。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

　１．第１の実施形態

　（１）変位計測装置の構成

　図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。

　変位計測装置１００は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、光センサであるＰＤ（Photo Detector）３１、演算回路４０を備える。

　光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）、あるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。

　コリメータレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光１５にする。少なくともこれら光源１２及びコリメータレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。

　回折格子対２０には、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光が入射され、回折光を出射する。回折格子対２０は、例えば透過型の、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２によって構成される。第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光線の進路に沿って、ここでは光源１２及びコリメータレンズ１４の光軸に沿って対向して配置されており、後述するように所定方向に相対的に移動可能となっている。

　第１の回折格子２１は、入射した平行光１５を、回折格子対２０の光軸上で直進する０次光３０ａと、＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数であり、以下同様である。）２３ａと、－ｎ次回折光２５ａとに分けて進行させる。

　第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射して第２の回折格子２２に入射した０次光３０ａを、さらに光軸上で直進する０次光３０ｂとして出射する。また、第２の回折格子２２は、これに入射した＋ｎ次回折光２３ａの－ｎ次回折光２３ｂを発生し、また、これに入射した－ｎ次回折光２５ａの＋ｎ次回折光２５ｂを発生する。

　なお説明の便宜上、図１中、一光線から発生する回折光であってその一光線より右側に折れる回折光の次数を正とする。また、その一光線より左側に折れる回折光の次数を負とする。

　－ｎ次回折光２３ｂ及び＋ｎ次回折光２５ｂは互いに干渉し合い、これにより干渉光２７が発生する。ＰＤ３１は、この干渉光２７を主に検出する位置に配置されている。具体的には、－ｎ次回折光２３ｂ及び＋ｎ次回折光２５ｂは、回折格子対２０の光軸に沿う方向（図１ではｚ方向）に進行し、干渉光２７はその光軸を含む位置で発生する。したがって、その干渉光２７を検出するＰＤ３１は、回折格子２０の光軸上に配置される。

　なお、後述するように光軸上の光には０次光３０も含まれており、この０次光３０も含む干渉光を、説明の便宜上、干渉光２８とする。

　本実施形態では、典型的には、±ｎ次回折光として±１次回折光が利用されるが、回折格子対２０の光軸上で互いに干渉する光であれば、±２次以降の回折光が利用されてもよい。また、実際には、図１に示す以外にも多数の回折光が存在するが、説明を容易にするため、図示を省略している。

　＋ｎ次回折光２３ａ及び－ｎ次回折光２３ｂの両方の回折光を、以降では、必要に応じて第１の回折光２３という。また、－ｎ次回折光２５ａ及び＋ｎ次回折光２５ｂの両方の回折光を、以降では、必要に応じて第２の回折光２５という。また、０次光３０ａ及び３０ｂの両方の０次光を、以降では０次光３０という。

　第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、実質的に同じ形状及び同じサイズを有する。例えば、回折格子２１（及び２２）は、図１において、ｚ方向に直交するｙ方向に沿った溝である複数の格子線２１ａ（及び２２ａ）を有する。第１の回折格子２１の格子線２１ａのピッチＰと、第２の回折格子２１の格子線２２ａのピッチＰとは実質的に同じに形成されている。格子線２１ａ及び２２ａの例として、ピッチＰが３．３μmであり、溝深さが４７３μmである。もちろん、これらの値に限られない。

　本実施形態に係る変位計測装置１００は、格子線２１ａ及び２２ａの配列方向であるｘ方向における、回折格子対２０の相対的な変位Δｘを計測対象としている。計測可能範囲は、例えばサブマイクロメートル～マイクロメートルオーダの変位である。

　本明細書では、ｚ方向に直交する２軸をｘ、ｙ軸と定めている。上述したように、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａに沿う方向をｙ方向とし、格子線２１ａ及び２２ａの配列方向をｘ方向としている。

　後述するように、少なくとも、第２の回折格子２２とＰＤ３１とは一体的に保持され、第１の回折格子２１に対して、ｘ方向に一体的に移動可能とされている。

　演算処理手段として主に機能する演算回路４０は、ＰＤ３１で得られる信号に基づいて、所定の演算処理を行うことで、変位Δｘを算出する。演算回路４０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを主に備える。演算回路４０は、ＭＰＵに加え、またはＭＰＵに代えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ

（Application Specific Integrated Circuit）等を備えていてもよい。また、演算回路４０は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。

　（２）変位計測装置による変位の計測原理

　図２は、回折格子対２０のｘ方向における相対的な変位量（μm）と、ＰＤ３１で得られる電圧信号との関係を示すグラフである。この例では、回折格子対２０の格子線２１ａ及び２２ａのピッチは、例えば３．３μm、光源１２の光の中心波長は、８５０nmとされた。

　このグラフからわかるように、ＰＤ３１は、格子線２１ａ及び２２ａのピッチＰごとに周期性を持つ波形信号を出力する。すなわち、ＰＤ３１は、ピッチＰごとに、それら格子線の明暗のセットを１周期とする光量を得る。周期性を持つ波形信号とは、典型的には、ｓｉｎ波形の信号である。

　図３は、演算回路４０の機能的構成を示すブロック図である。演算回路４０は、Ａ／Ｄ変換器４１、データ参照部４２及びデータ記憶部４３を主に有する。

　Ａ／Ｄ変換器４１は、ＰＤ３１から出力されたアナログ信号をデジタル値に変換して出力する検出値出力部として機能する。また、Ａ／Ｄ変換器４１は、例えば波形信号の周波数をカウントする等して、入力された信号の波の数をカウントし、このカウント値を出力する。

　データ記憶部４３は、回折格子対２０の相対移動によってＰＤ３１で検出される波形信号の波数値（カウント値に対応）と、回折格子対２０の相対的な変位量とを対応付けるルックアップ用のテーブルデータを記憶する。テーブルデータは、この変位計測装置１００の製造時にメモリに記憶される。

　データ参照部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１でカウントされた波数のカウント値に対応する変位量を、データ記憶部４３から抽出し、これを出力する。すなわち、演算回路４０は、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａのピッチ単位で、変位量を計測することができる。

　回折格子対２０の相対位置が基準位置など初期位置にある時に、ＰＤ３１で得られる信号値が０となり、また、回折格子対２０の相対的な変位量が０となるように、回折格子対２０及びＰＤ３１の形態、配置、演算回路４０の回路及びそのプログラムなどが設計されている。

　演算回路４０は、回折格子対２０の基準位置での変位量を０とするリセット機能を有していてもよい。これは、変位計測装置１００の経時変化により、例えば回折格子対２０の基準位置における演算回路４０が出力する変位値が０とならなくなった場合の校正方法として有効である。この場合、演算回路４０は、その校正時の情報を利用して、データ記憶部４３のテーブルデータを更新する機能を有していてもよい。

　以上のように、変位計測装置１００は、回折格子対２０の光軸に沿う方向の変位を計測するのではなく、それとは直交する方向に回折格子対２０を相対的に変位する時の、その変位量を計測する。したがって、原理的に、回折格子２１及び２２間の距離が大きくなるほど干渉光の振幅が低下する（例えば図４参照：図４のグラフの横軸は、回折格子間の距離、つまりｚ方向の距離である。）、という問題は起こらない。したがって、検出レンジが狭くなる等の問題を解消できる。

　また、本実施形態では、第１の回折光２３及び第２の回折光２５の行路長（光路長）は、実質的に同じであり、つまり光路差が発生しない。したがって、たとえ回折格子２１及び２２間の距離が変動したとしても、その干渉光の振幅に影響を及ぼさず、干渉光の適切な振幅を得ることができる。

　（３）回折格子間の距離の変動による影響

　本発明者らは、回折格子２１及び２２間の距離（ｚ方向の距離）を意図的に変えた場合に、ＰＤ３１で得られる信号の変化を実測した。図５Ａは、回折格子２１及び２２間の距離が１５μmの時、図５Ｂは、その距離が２３μmの時に、ＰＤ３１で得られる信号の強度分布を示す。すなわち、縦軸の値は光センサの出力値である光強度を示し、横軸は、図１に示すｘ方向での位置（mm）を示し、光軸が通る位置を０mmとしている。

　一方、図６Ａ及びＢは、回折格子対２０の光軸からずれた位置に配置された第２のＰＤで、別の干渉光を検出した場合に、その第２のＰＤで得られる信号の強度分布を示し（グラフ中右側の強度分布）、また、光軸上の光軸ＰＤで得られる信号の強度分布を示す（グラフ中、中央の強度分布）。

　別の干渉光とは、第１の回折格子による０次光が第２の回折格子に入射して第２の回折格子から発生する＋１次回折光と、第１の回折格子による＋１次回折光が第２の回折格子に入射して第２の回折格子から発生する０次光との干渉光である（上記特許文献１の図１を参照）。具体的には、概ね３～５mmの位置で第２のＰＤの受光領域が配置される。

　これらのグラフから分かるように、回折格子間の距離が変わると、光軸ＰＤにより光軸上で得られる光の強度も変わる。これは、回折格子間の距離が変わると、干渉条件、ここでは光路差が変わるからである。

　これに対し、図５Ａ及びＢから分かるように、回折格子２１及び２２間の距離を変えても、光強度は実質的に変わらない。つまり、上述のように、第１の回折光２３及び第２の回折光２５の光路差がないので、回折格子２１及び２２間の距離が変動しても、安定した強度を持つ干渉光を得ることができる。

　（４）回折格子間の距離の設定

　ところで、図１に示すように、ＰＤ３１は、干渉光２７の他、回折格子対２０の光軸に沿って直進する０次光３０も受光する。すなわち実際には、ＰＤ３１は、第１の回折光２３、第２の回折光２５及び０次光３０の、３つの光の干渉光２８（図１参照）を受光する。しかしながら、この０次光３０は、基本的には変位Δｘの計測処理に不要であり、０次光が、ＰＤ３１の出力信号にノイズとして現れる。

　そこで、この変位計測装置１００は、この０次光３０によるノイズの発生を抑制するために、回折格子２１及び２２間の距離（ｚ方向の距離）が所定の距離に設定されている。その距離は、この干渉光２８を構成する０次光、第１の回折光２３及び第２の回折光２５の３つの光の光路差が、（２ｍ＋１）λ／４（ｍは０以上の整数）を満たすような距離である。上記したように、第１の回折光２３及び第２の回折光２５には光路差は実質的に発生しないので、実質的には、０次光と、第１の回折光２３（または第２の回折光２５）との光路差が上記式を満たせばよい。

　すなわち、光路差が、０．２５λ、０．７５λ、１．２５λ、・・・となるように、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２の配置が設定される。このような回折格子２１及び２２間の距離に設定されることにより、ＰＤ３１は、できるだけ光強度の低い干渉光２８を受けることになり、このことは、０次光によるノイズを抑制していることを意味する。

　図７Ａ～Ｄは、その光路差が、０．２５λ、０．５λ、０．７５λ及びλである場合の、ＰＤ３１で得られる信号のシミュレーションをそれぞれ示す。なお、これらのグラフ中、破線で示す波形は、回折格子対の相対的な変位に応じて、光軸からずれた位置に配置されたＰＤ（上記第２のＰＤ）で、別の干渉光を検出した場合の波形である。別の干渉光とは、上述したように、第１の回折格子による０次光が第２の回折格子に入射して第２の回折格子から発生する＋１次回折光と、第１の回折格子による＋１次回折光が第２の回折格子に入射して第２の回折格子から発生する０次光との干渉光である（上記特許文献１の図１を参照）。

　図７Ａ及びＣからわかるように、上記３つの光の光路差が０．２５λ、０．７５λの場合、ＰＤ３１は、適切な形状の周期性を持つ波形信号を得ることができる。一方、図７Ｂ及びＤでは、当該光路差が０．５λ、λの場合、高い光強度を持つが０次光によるノイズを含む信号が得られる。

　（５）カウント部によるカウント処理の他の形態

　この第１の実施形態では、Ａ／Ｄ変換器４１は波形信号の波数をカウントしたが、上ピーク及び下ピークの検出を行うことにより、半波長ごとに１カウントを出力してもよい。これにより、変位計測装置は、格子線ピッチ（例えば３．３μm）の半分（例えば１．６５μm）の分解能で変位を計測することができる。

　２．第２の実施形態

　次に、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置について説明する。

　これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係る変位計測装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。またこれ以降の各実施形態において、回折格子対による干渉光の発生原理は、上記第１の実施形態と同様である。

　この第２の実施形態に係る変位計測装置の全体を構成するハードウェアとして、典型的には図１に示した変位計測装置１００の構成が用いられる。

　図８は、この第２の実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。

　図９は、回折格子対２０のｘ方向における相対的な変位量（μm）と、ＰＤ３１で得られる電圧信号との関係を示し、図２のグラフの横軸のスケールより小さいスケールを持つグラフである。図９のグラフの縦軸については、ＰＤ３１の受光量である干渉光の明度（あるいは強度）が１で最大となるように、電圧の波形信号の全体振幅を１として正規化している。

　本実施形態に係る演算回路１４０は、グラフの縦軸の全体振幅を所定の複数の電圧レベル（検出レベル）で分割し、それらの電圧レベルで波形信号を監視する。すなわち、Ａ／Ｄ変換器４１は、この演算回路４０が格子線ピッチより小さい間隔で変位を出力するように設定された所定の電圧レベルを有する。

　データ記憶部４３は、そのように分割された電圧レベルごと及び上記波数のカウント値ごとに、それら電圧レベル及びカウント値を、変位量に対応付けて記憶しておく。信号の波形がリニアではなくｓｉｎカーブであるため、例えば記憶される変位量ごとの間隔が一定となるように、不等間隔の電圧値が選択されて記憶される。

　また、本実施形態では、信号の１波長内には２つの同じ電圧値が出現するので、Ａ／Ｄ変換器４１は、周波数の２倍、つまり半波長の波を１つとしてカウントし、このカウント値を出力する。この場合、Ａ／Ｄ変換器４１は、波形信号の上ピーク及び下ピークの両方をカウントすることにより、半波長分を１つとして波数をカウントすることができる。また、Ａ／Ｄ変換器４１は、現在計測中の上記電圧レベル単位での電圧値を出力する。

　データ参照部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１でカウントされたカウント値と、Ａ／Ｄ変換器４１から出力される電圧値とを取得する。データ参照部４２は、取得したカウント値及び電圧値とに対応する変位量をデータ記憶部４３から抽出し、これを出力する。これにより、演算回路１４０は、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａのピッチよりも小さい単位、例えば１００nm単位の精度で、変位量を計測することができる。

　なお、データ記憶部４３は電圧レベルを等間隔で記憶しておき、後述する第３の実施形態のように、演算回路１４０は、波形信号のリニア領域のみを用いるようにして、等間隔の変位量を出力してもよい。

　３．第３の実施形態

　（１）変位計測装置の構成

　図１０は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す模式的な斜視図である。図１１は、この第３の実施形態に係る第２の回折格子の構成を示す。

　この変位計測装置２００の第２の回折格子１２２の、光が透過する領域は、ｙ方向で複数の領域、例えば２つの領域１２２Ａ及び１２２Ｂに分割されて構成されている。これら２つの領域を、便宜的に「ｙ1シフト領域」及び「ｙ2シフト領域」とする。

　図１１に示すように、ｙ1シフト領域１２２Ａ及びｙ2シフト領域１２２Ｂの各格子線のピッチは、実質的に同一とされている。しかし、ｙ1シフト領域１２２Ａの格子線パターンは、ｙ2シフト領域１２２Ｂの格子線パターンに対して、ｘ方向に、格子線１２３のピッチの１／２より小さい所定の距離分シフトされている。例えば、各格子線パターンは、互いに１／４ピッチ分シフトされる位置に形成されている。

　本実施形態に係る光センサであるＰＤ３３は、このような第２の回折格子１２２の複数の領域に対応するように、ｙ方向で複数の領域、例えば２つの受光領域３３Ａ及び３３Ｂに分割されて構成されている。これらの受光領域を便宜的に「ｙ1受光領域」及び「ｙ2受光領域」とする。すなわち、第２の回折格子１２２を出射した干渉光２７（または２８）（図１参照）のうち、ｙ1シフト領域１２２Ａを出射した光が、ｙ1受光領域３３Ａに入射する。また、ｙ2シフト領域１２２Ｂを出射した光が、ｙ2受光領域３３Ｂに入射する。

　回折格子対１２０は、第１の実施形態と同様に、ｘ軸方向に相対的に移動可能に構成されている。特に、第２の回折格子１２２は、ＰＤ３３と一体的に移動可能に保持されている。

　図１２は、本実施形態に係る演算回路の機能的構成を示すブロック図である。演算回路２４０に入力される信号のチャネルとして、ＰＤ３３のｙ1受光領域３３Ａで得られた信号が入力されるチャネルをチャネル１（ch.1）とし、ｙ2受光領域３３Ｂで得られた信号が入力されるチャネルをチャネル２（ch.2）とする。

　演算回路２４０は、チャネル１及び２について、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器４１、データ参照部４２及びデータ記憶部４３を有する。これらのブロックは、基本的には、上記第２の実施形態（図８参照）で説明した演算回路１４０の各ブロックと同じように機能する。

　また、演算回路２４０は、各データ参照部４２からの出力のON/OFFをそれぞれ切り替えるスイッチ４４及び４５を有し、また、このスイッチ４４及び４５の動作を制御する出力タイミング制御部４６を有する。出力タイミング制御部４６は、チャネル１及び２のそれぞれのカウント値及び電圧値を取得し、これらの値に基づいてスイッチ４４及び４５の動作を制御することにより、チャネル１及び２のうちいずれか一方の変位量を出力する。つまり、出力タイミング制御部４６は、スイッチ４４及び４５を交互に選択的に切り替えることにより、出力する変位量（すなわち演算処理対象）を切り替える切替部として機能する。

　（２）変位の計測方法

　図１３は、ＰＤ３３で得られる信号、つまりｙ1受光領域３３Ａ及びｙ2受光領域３３Ｂからそれぞれ得られる信号（第１の波形信号Ｓ１及び第２の波形信号Ｓ２）を示す。横軸は変位、縦軸は受光量を表す検出値（電圧値）である。ｙ1シフト領域１２２Ａ及びｙ2シフト領域１２２Ｂで格子線パターンが互いに、格子線ピッチの１／４ピッチ分シフトしていることにより、信号Ｓ１及びＳ２の位相も、このように１／４シフトする。

　例えば回折格子対１２０の変位量が大きくなる方向に回折格子対１２２が相対移動する場合、出力タイミング制御部４６は、図１３に示すように、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、・・・の順で、チャネル１と２の出力を相互に切り替える。例えば出力タイミング制御部４６は、点ＢからＣまでは、信号Ｓ２を用いて変位量を出力させ（チャネル２を用い）、点Ｃでのカウント値及び検出値を得るタイミングで、信号Ｓ１を用いて変位量を出力させる（チャネル１を用いる）。もちろん、回折格子対１２２がそれとは逆に相対移動する場合、切り替え順序は点Ｉ、Ｈ、Ｇ、・・・のように逆方向となる。

　点Ｃ、Ｆ、Ｉ、・・・は、信号Ｓ１及びＳ２の交点である。点Ａは、点Ｃと同じレベルの検出値であり、点Ｄは、点Ｆと同じ検出値であり、また、点Ｇは、点Ｉと同じ検出値である。点Ｂは、点Ａと同じ変位量を示し、点Ｅは、点Ｄと同じ変位量を示し、また、点Ｈは、点Ｇと同じ変位量を示す。

　このような処理方法を取る趣旨は、次のようなものである。信号Ｓ１及びＳ２は、実質的にｓｉｎ波形であるため、信号の上ピークまたは下ピーク付近では、変位量と検出値との関係が非リニアになる。したがって、これらのピーク付近では、変位量に対しての検出感度が鈍くなり、計測精度が低下する可能性がある。そこで、出力タイミング制御部４６は、信号Ｓ１（またはＳ２）のピークに達する前に（振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで）、信号Ｓ２（または信号Ｓ１）に切り替えて、切り替え後の信号を演算処理対象の信号とする。すなわち、信号Ｓ１及びＳ２の検出値のうち、検出感度の良好な領域であるリニア領域を用いることにより、計測精度を高めることができる。

　なお、交点Ｃ、Ｆ、Ｉ、・・・のタイミングの判断方法として、例えば演算回路２４０は、信号Ｓ１とＳ２との差分を演算し、これが０になるタイミングを交点Ｃ、Ｆ、Ｉ、・・・のタイミングとしてもよい。

　本実施形態では、格子線パターンのシフト量が１／４とされたが、１／３、１／５等、１／２より小さいシフト量であれば、どのようなシフト量でもよい。

　点Ａ及びＣ、あるいは点Ｄ及びＦ等は、信号Ｓ１及びＳ２の交点と同じ検出値であったが、交点以外の他の点が、切り替えのタイミングの点として設定されてもよい。

　本実施形態では、１つの光センサが複数の受光領域を有していたが、物理的に分離した複数の光センサによって複数の受光領域が構成されてもよい。

　４．第４の実施形態

　図１４は、本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の回折格子対のうち、ｚ方向で見た第２の回折格子を示す。図１５は、この変位計測装置においてｚ方向で見たＰＤの受光領域を示す。

　本実施形態に係る変位計測装置の回折格子対の第２の回折格子２２２は、ｙ方向に分割されて構成された複数のシフト領域、例えば４つのシフト領域２２２Ａ、２２２Ｂ、２２２Ｃ及び２２２Ｄを有する。これら４つのシフト領域の各格子線２２３のピッチは実質的に同一とされる。

　例えば、４つのシフト領域のうち３つのシフト領域２２２Ａ、２２２Ｂ及び２２２Ｃの格子線パターンは、格子線ピッチの１／６ずつｘ方向に互いにシフトして配置されている。そして、もう１つのシフト領域２２２Ｄの格子線パターンは、３つのシフト領域２２２Ａ、２２２Ｂ及び２２２Ｃのうち、シフト領域２２２Ａ及び２２２Ｃの格子線パターンに対して、格子線ピッチの１／３分、ｘ方向に互いにシフトして配置されている。説明の便宜上、以降では、シフト領域２２２Ｄを「基準シフト領域」という。

　なお、第２の回折格子内２２２での、その３つのシフト領域２２２Ａ、２２２Ｂ及び２２２Ｃと、基準シフト領域２２２Ｄの配置は限定されない。例えば、３つのシフト領域のうち２つのシフト領域と他の１つのシフト領域との間に、基準シフト領域２２２Ｄが配置されていてもよい。

　図１５に示すように、ＰＤ３４の受光領域は、以上のように構成された第２の回折格子２２２の各シフト領域２２２Ａ～２２２Ｄに対応するように、複数の受光領域、例えば４つの受光領域３４Ａ～３４Ｄに、ｙ方向に分割されて構成されている。検出対象である干渉光２７（または２８）（図１参照）のうち、シフト領域２２２Ａ～２２２Ｄを出射した光を、ＰＤ３４の受光領域３４Ａ～３４Ｄがそれぞれ検出する。説明の便宜上、以降では、受光領域３４Ｄを「基準受光領域」という。

　図１６は、これら４つの受光領域からそれぞれ得られる波形信号を示す。図１６において、基準受光領域３４Ｄで得られた波形信号Ｓ４の位相は、受光領域３４Ａ及び３４Ｃで得られた波形信号Ｓ１及びＳ３の位相から、１２０°ずれている。３つの受光領域３４Ａ～３４Ｃで得られた波形信号Ｓ１～Ｓ３の位相は、互いに６０°ずつずれている。

　図１７は、この変位計測装置の演算回路の機能的構成を示すブロック図である。演算回路３４０は、カウント部３４１、データ参照部３４２及びデータ記憶部３４３を有する。

　カウント部３４１には、波形信号Ｓ１～Ｓ４がチャネル１～４を介して入力される。カウント部３４１は、これらの波形信号Ｓ１～Ｓ４の交点をカウントし、演算回路３４０は、そのカウント値に基づいて変位Δｘを算出する。具体的には、カウント部３４１は、例えば信号Ｓ４とＳ１との交点ａのタイミングを判定する場合、信号Ｓ４とＳ１との差分が０（または０に近い閾値以下）となるタイミングを監視する。このようにして、カウント部３４１は、各信号Ｓ１～Ｓ４の交点ａ、ｂ、ｃ、・・・ｋをカウントする。

　なお、カウント部３４１はＡ／Ｄ変換器を含み、デジタル処理を行ってもよいが、Ａ／Ｄ変換器を含まず、アナログ処理でも交点のカウントを実現することができる。

　データ記憶部３４３は、予めカウント値と変位量とを対応付けて記憶している。データ参照部３４２は、カウント部３４１から出力された交点のカウント値に対応する変位量をデータ記憶部３４３から抽出し、これを変位量Δｘとして出力する。

　図１６に示すように、白で示した点ｌは、波形信号の交点ではないが、点ｋの次のタイミングで信号Ｓ１が０になるタイミングの点である。カウント部３４１はこの点ｌも例外的にカウントし、データ参照部３４２は、この点ｌに対応する変位量を出力することができる。これにより、演算回路３４０は、等間隔の変位量を出力することができる。

　各信号Ｓ１～Ｓ４の各波長分の変位は、格子線のピッチと同じであるので、演算回路３４０は、格子線のピッチより十分に小さい間隔で変位を出力することができる。すなわち、高精度な変位計測が可能となる。

　本実施形態では、４つのシフト領域２２２Ａ～２２２Ｄ及び４つの受光領域３４Ａ～３４Ｄから４つの信号Ｓ１～Ｓ４を得た。しかし、第２の回折格子が３つのシフト領域を有し、ＰＤがそれらに対応する３つの受光領域を有していてもよい。この場合、３つのシフト領域の格子線パターンは、互いにｘ方向に、格子線ピッチの１／３シフトしている。そのＰＤは、それらの受光領域から互いに１２０°ずれた位相を有する３つの波形信号を出力することができる。そして、演算回路は、これら３つの波形信号を取得し、それらの交点をカウントし、このカウント値に基づいて変位量を算出することができる。

　５．第５の実施形態

　図１８は、本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の演算回路の機能的構成を示すブロック図である。この第５の実施形態に係る変位計測装置は、図示しないが、上記のように３つのシフト領域を有する第２の回折格子を備え、また、それらシフト領域に対応する３つの受光領域を有するＰＤを備える。

　演算回路４４０は、Ａ／Ｄ変換器４１、カウント部３４１、平均値算出部４４４、データ参照部４４２、データ記憶部４４３を備える。

　３つのＡ／Ｄ変換器４１は、チャネル１～３を介して、ＰＤの３つの受光領域から得られる波形信号を取得して、各波形信号のデジタル値を出力する。

　平均値算出部４４４は、Ａ／Ｄ変換器４１から取得した各値、すなわち、３つの波形信号の平均値を算出する。カウント部４４１は、Ａ／Ｄ変換器４１から取得したそれぞれの波形信号を形成する値と、平均値との交点をカウントし、そのカウント値を出力する。データ記憶部４４３は、予めカウント値と変位量とを対応付けて記憶している。

　図１９Ａ～Ｄは、上記１．（４）で述べたたように、ＰＤが０次光３０を含む干渉光２８を検出する場合において、干渉光２８に含まれる０次光３０のそれぞれ異なる強度ごとに、ＰＤの各受光領域で得られる３つの波形信号のシミュレーションを示す。また、これらのグラフには、これら３つの波形信号の平均値も示されている。干渉光２８に含まれる０次光３０の強度の割合は、それぞれ０％、２％、４％及び６％である。

　このシミュレーションから、０次光３０の割合が増えるほど、また、ｘ方向の変位全体範囲内で中央に近いほど、ＰＤによる各波形信号の振幅が低下する傾向にあることがわかる。

　データ参照部４４２は、カウント部４４１によってカウントされた各交点ａ、ｂ、ｃ、・・・（図１９Ｂ～Ｄ参照）に対応する変位量をデータ記憶部４４３から抽出し、これを出力する。

　本実施形態では、干渉光２８に０次光が含まれていたとしても、その０次光のノイズに追従するラインである平均値を求めることにより、その平均値の検出レベルで検出された各波形信号の値（交点の値）が、変位方向で正確な間隔で現れる。したがって、演算回路４４０は、これらの交点のカウント値に基づき、正確な変位を算出することができる。

　上記１．（４）でも述べたように、干渉光２８を構成する光の光路差が（２ｍ＋１）λ／４を満たすような回折格子間の距離が設定されることにより、０次光によるノイズを抑制できる。しかし、例えば回折格子間の距離をそのように設定した場合であっても、例えば０次光が数％残る場合には、本実施形態は特に有効である。

　しかしながらもちろん、上記光路差に基づく回折格子間の距離の設定をしない場合であっても、本実施形態のように回路による処理のみによって、０次光によるノイズを抑制することも可能である。

　本実施形態に係る変位計測装置は、３つの波形信号を形成したが、上述した実施形態のように、２つまたは４つ以上の波形信号を形成して、これらの波形信号と平均値との交点をカウントし、カウント値に基づき変位を出力してもよい。

　６．変位計測装置を保持するホルダ

　図２０は、例えば図１に示した光学系を保持する保持機構を含む変位計測装置１００（または２００でもよい）の一実施形態を示す。

　保持機構５０は、ボックス状の、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２を有する。第１のホルダ５１は、光源１２、コリメータレンズ１４及び第１の回折格子２１を一体的に支持する。第２のホルダ５２は、第２の回折格子２２及びＰＤ３１を一体的に支持する。

　第１のホルダ５１の一端には、光源１２が実装された実装基板５３が取り付けられている。第２のホルダ５２の他端には、第１の回折格子２１が取り付けられている。第２のホルダ５２の一端には、第２の回折格子２２が取り付けられ、第２のホルダ５２の他端には、ＰＤ３１が実装された実装基板５４が取り付けられている。

　第１のホルダ５１には、光源１２から出射した光がコリメータレンズ１４を介して第１の回折格子２１に入射するための通路５８が形成されている。第２のホルダ５２には、第２の回折格子２２から出射した干渉光２７（図１参照）が主にＰＤ３１に入射するための通路５９が形成されている。

　保持機構５０は、これら第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２をｘ方向にスライド可能に支持する支持機構１５０を備える。支持機構１５０は、これらホルダ５１及び５２をｘ方向に相対移動可能に接続する接続部として機能する。

　支持機構１５０は、ｘ方向に延設されたスライドシャフト５５を有する。例えば、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２の底部（図においてｙ方向の下部）には、図示しないｘ方向の貫通穴が形成されており、この貫通穴にスライドシャフト５５が挿通されている。スライドシャフト５５は、例えば１つのホルダに２本ずつ設けられる。

　また、支持機構１５０は、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２を弾性的に接続する弾性部材５７を有する。弾性部材５７は、例えば、第１のホルダ５１及び第２のホルダ５２の側面同士を接続するように設けられ、例えば両側面に設けられている。弾性部材５７は、主に樹脂や金属等により弾性変形が可能な構造や形状で構成されている。

　この変位計測装置１００の使用時には、計測対象物の図示しない第１の部位に第１のホルダ５１が固定されるように、かつ、計測対象物の図示しない第２の部位に第２のホルダ５２が固定されるように、この変位計測装置１００が計測対象物に取り付けられる。これにより、計測対象物の第１及び第２の部位のｘ方向の変位を計測することができる。

　７．その他の実施形態

　本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

　上記各実施形態に係る演算回路は、基本的には、カウント値（及び電圧レベル）と変位量とを対応付けるルックアップテーブルを参照して変位を出力した。しかし、演算回路は所定の演算式を用いて変位を出力してもよい。例えば演算回路は、所定の単位変位量を記憶しておき、カウント値に単位変位量を乗じる方法、あるいは、カウント値を得るごとに、上記単位変位量を加算していく方法などがある。例えば、波形信号の１波長で１カウントする場合、上記単位変位量は格子線ピッチに相当し、波形信号の半波長で１カウントする場合、単位変位量は格子線ピッチの１／２に相当する。

　図１１及び１４に示した各実施形態において、シフト領域は第２の回折格子に設けられていたが、第１の回折格子に設けられていてもよい。

　図１１または１４に示した第２の回折格子１２２または２２２は、ｙ方向に配列された複数のシフト領域を有していたが、ｘ方向に配列された複数のシフト領域を有していてもよい。この場合、光センサも、ｘ方向に配列された複数の受光領域を有する。またこの場合、各シフト領域の格子線パターンが、ｘ方向に格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトするような、各格子線パターン及び各受光領域の相対的な配置がとられる。

　以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば、図１０～１２に示した構成を備える変位計測装置が、スイッチングを行うのではなく、第４または第５の実施形態に示す処理のように、交点のカウント値に基づき変位を算出してもよい。

　１２…光源

　２０、１２０、２２０…回折格子対

　２１…第１の回折格子

　２１ａ、２２ａ、１２３、２２３…格子線

　２２、１２２、２２２、…第２の回折格子

　２３…第１の回折光

　２３ａ…＋ｎ次回折光

　２３ｂ…－ｎ次回折光

　２５…第２の回折光

　２５ａ…－ｎ次回折光

　２５ｂ…＋ｎ次回折光

　２７、２８…干渉光

　３０（３０ａ、３０ｂ）…０次光

　３１、３３、３４…ＰＤ

　３３Ａ、３３Ｂ、３４Ａ～３４Ｄ…受光領域

　４０、１４０、２４０、３４０、４４０…演算回路

　４２、３４２、４４２…データ参照部

　４３、３４３、４４３…データ記憶部

　４１…Ａ／Ｄ変換器

　４４、４５…スイッチ

　４６…出力タイミング制御部

　１００、２００…変位計測装置

　１２２Ａ、１２２Ｂ、２２２Ａ～２２２Ｄ…シフト領域

　５０…保持機構

　５１…第１のホルダ

　５２…第２のホルダ

　３４１、４４１…カウント部

　４４４…平均値算出部

Claims (12)


  1. 　光源と、

    　前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する第１の回折格子及び第２の回折格子と、

    　前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する－ｎ次回折光と、前記第１の回折格子による－ｎ次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を検出する光センサと、

    　前記光センサで得られた信号に基づき、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の相対的な変位を算出する演算処理手段と

    　を具備する変位計測装置。

  2. 　請求項１に記載の変位計測装置であって、

    　前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、複数の格子線をそれぞれ有し、　前記演算処理手段は、前記複数の格子線の配列方向に沿う前記変位を算出する

    　変位計測装置。

  3. 　請求項２に記載の変位計測装置であって、

    　前記光センサは、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子を前記光軸に沿って直進する０次光を受けることにより、前記第２の回折格子により発生する前記±ｎ次回折光と、前記０次光との干渉光を検出し、

    　前記±ｎ次回折光と、前記０次光との光路差が、（２ｍ＋１）λ／４（ｍは０以上の整数）を満たすように、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子間の距離が設定されている

    　変位計測装置。

  4. 　請求項２に記載の変位計測装置であって、

    　前記演算処理手段は、前記光センサで得られた、前記複数の格子線の格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する検出値出力部を有し、

    　前記検出値出力部は、前記演算処理手段が前記格子線ピッチより小さい間隔で変位を出力するように設定された所定の検出レベルを有する

    　変位計測装置。

  5. 　請求項２に記載の変位計測装置であって、

    　前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子のうちいずれか一方は、分割されて構成される複数のシフト領域を有し、

    　前記複数のシフト領域は、前記複数の格子線の配列方向に、格子線ピッチの１／２より小さい所定距離分互いにシフトされた格子線パターンをそれぞれ有し、

    　前記光センサは、前記複数のシフト領域から出射されたそれぞれの光を受ける複数の受光領域を有する

    　変位計測装置。

  6. 　請求項５に記載の変位計測装置であって、

    　前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる信号を、所定のタイミングで選択的に切り替え、選択した１つの信号を演算処理に用いる

    　変位計測装置。

  7. 　請求項６に記載の変位計測装置であって、

    　前記演算処理手段は、

    　前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の検出値を出力する検出値出力部と、

    　前記波形信号のうち処理対象とされた第１の波形信号の振幅ピーク値より小さい所定の検出値を検出するタイミングで、処理対象を第２の波形信号に切り替える切替部とを有する

    　変位計測装置。

  8. 　請求項７に記載の変位計測装置であって、

    　前記演算処理手段は、前記第１の波形信号と前記第２の波形信号との交点での検出値、または、前記交点での検出値と同じレベルの検出値を、前記所定の検出値として処理する

    　変位計測装置。

  9. 　請求項５に記載の変位計測装置であって、

    　前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号の交点をカウントするカウント部を有し、前記カウント部によるカウント値に基づき、前記変位を算出する

    　変位計測装置。

  10. 　請求項５に記載の変位計測装置であって、

    　前記演算処理手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られる、前記格子線ピッチに応じた周期性を持つ波形信号と、それら波形信号の平均値との交点をカウントするカウント部を有し、前記カウント部によるカウント値に基づき、前記変位を算出する

    　変位計測装置。

  11. 　請求項１から１０のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、

    　前記光源及び前記第１の回折格子を保持する第１のホルダと、

    　前記第２の回折格子及び前記光センサを保持する第２のホルダと、

    　前記第１のホルダ及び前記第２のホルダを、前記光軸に直交する方向に沿って相対移動可能に接続する接続部とをさらに具備する

    　変位計測装置。

  12. 　光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な第１の回折格子及び第２の回折格子に、前記光源からの光が入射することにより、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子から回折光をそれぞれ発生させ、

    　前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する－ｎ次回折光と、前記第１の回折格子による－ｎ次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を、光センサにより検出し、

    　前記光センサで得られた信号に基づき、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の光軸に直交する方向における、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の相対的な変位を算出する

    　変位計測方法。
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