(57)【要約】【課題】特定の軸周りのチルト角を計測可能な変位計測装置および変位計測方法を提供すること。【解決手段】変位計測装置は、干渉光を形成するための、第１回折格子２１および第２回折格子２２を備える。第１回折格子２１は、一方向であるＹ方向に分割された複数の領域を有する。Ｘ受光素子４０ｘは、干渉光２７のうち、Ｘ軸周りの第１回折格子２１および第２回折格子２２のチルト角に応じて変化する光を検出する。複数のＸ受光素子４０ｘは、２つのＸ受光素子Ｘａ、Ｘｂでなる第１素子群４１と、同じく２つのＸ受光素子Ｘｃ、Ｘｄでなる第２素子群４２とで構成される。これにより、変位計測装置は、特定の軸周りのチルト角を計測することができる。【選択図】図５
2018194526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
一方向に配列された複数の格子線を有し、前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射された回折光が入射する導光部と、
前記一方向に配列された複数の格子線を有する第２回折格子であって、前記導光部が前記第１回折格子と前記第２回折格子との間に配置され、前記回折光が入射することにより干渉光を整形する第２回折格子と、
第１受光素子および第２受光素子を有し、前記干渉光を検出する光検出器と、
前記第１受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の前記一方向における相対変位を演算し、前記第２受光素子により得られる信号に基づき、前記複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りの、前記第１回折格子および前記第２回折格子のチルト角を演算する演算部と
を具備する変位計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計測装置であって、
前記光検出器は、前記第２受光素子が複数設けられてなる第１素子群を有し、
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域により整形される光が前記第１受光素子で受光されるように、かつ、前記第２領域により整形される光が前記第１素子群で受光されるように構成され、
変位計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の変位計測装置であって、
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられたブランク領域を有する
変位計測装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の変位計測装置であって、
前記光検出器は、前記第２受光素子が複数設けられてなる第２素子群をさらに有し、前記第２素子群が前記第１受光素子を挟んで前記第１素子群と対向して配置されるように構成され、
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、前記第１領域が前記第２領域との間に配置されるように前記第２領域と対向して配置された第３領域を有し、前記第３領域により整形される光が前記第２素子群で受光されるように構成される
変位計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の変位計測装置であって、
前記演算部は、前記相対変位に応じて、前記第１素子群および前記第２素子群でそれぞれ得られる信号のうちいずれか一方を選択して使用する
変位計測装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の変位計測装置であって、
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、前記第１領域と前記第３領域との間に設けられたブランク領域を有する
変位計測装置。
【請求項７】
請求項２から６のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
前記光検出器は、前記第２受光素子が並ぶ方向に直交する方向に配置された複数の第３受光素子をさらに有し、前記第１領域により整形される光が前記複数の第３受光素子で受光されるように構成され、
前記演算部は、前記複数の第３受光素子で得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の光軸周りのチルト角を演算する
変位計測装置。
【請求項８】
請求項２から７のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
前記第１領域は、前記一方向に配置された複数のサブ領域を有し、
前記第１受光素子は複数設けられ、それら複数の第１受光素子が、前記干渉光のうち前記複数のサブ領域により整形される光を受光する
変位計測装置。
【請求項９】
請求項１から８のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
前記導光部は、対向する平行な一対の反射面を有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成される
変位計測装置。
【請求項１０】
請求項１から９のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
前記干渉光のうち、前記第１領域により整形された光にパワーを作用させ、前記第２領域により整形された光にパワーを与えないように構成された集光レンズをさらに具備する変位計測装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の変位計測装置であって、
前記集光レンズは、前記第１領域により整形された光にパワーを作用させるレンズ本体を有し、前記第２領域により整形された光を透過させるように前記レンズ本体に形成された端面を有する
変位計測装置。
【請求項１２】
光源と、
一方向に配列された複数の格子線を有し、前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射された回折光が入射する導光部と、
前記一方向に配列された複数の格子線を有する第２回折格子であって、前記導光部が前記第１回折格子と前記第２回折格子との間に配置され、前記回折光が入射することにより干渉光を整形する第２回折格子と、
受光素子およびそれと異なる他の受光素子を有し、前記干渉光を検出する光検出器と、
前記受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の前記一方向における相対変位を演算し、前記他の受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の光軸周りのチルト角を演算する演算部と
を具備する変位計測装置。
【請求項１３】
一方向に配列された複数の格子線を有する第１回折格子に、光源から出射された光を入射し、
前記第１回折格子から出射された回折光を導光部に入射し、
前記一方向に配列された複数の格子線を有する第２回折格子であって、前記導光部が前記第１回折格子と前記第２回折格子との間に配置されるように設けられた前記第２回折格子に、前記回折光を入射することにより干渉光を整形し、
第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器により、前記干渉光を検出し、
前記第１受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の前記一方向における相対変位を演算し、
前記第２検出素子により得られる信号に基づき、前記複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りの、前記第１回折格子および前記第２回折格子のチルト角を演算する
変位計測方法。
【請求項１４】
一方向に配列された複数の格子線を有する第１回折格子に、光源から出射された光を入射し、
前記第１回折格子から出射された回折光を導光部に入射し、
前記一方向に配列された複数の格子線を有する第２回折格子であって、前記導光部が前記第１回折格子と前記第２回折格子との間に配置されるように設けられた前記第２回折格子に、前記回折光を入射することにより干渉光を整形し、
受光素子およびそれと異なる他の受光素子を有する光検出器により、前記干渉光を検出し、
前記受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の前記一方向における相対変位を演算し、
前記他の受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の光軸周りのチルト角を演算する
変位計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を利用する変位計測装置および変位計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、２つの回折格子の相対変位を計測する変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、２つの回折格子により生成される回折光同士の干渉光を検出することにより、その干渉光の強度に対応する相対変位を計測することができる（例えば、明細書段落［００４０］、図１、８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2016-136106号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
計測の対象物には、ねじれや曲がりが発生する場合がある。光干渉を利用する変位計測において、このねじれや曲がりによる変位、すなわち、特定の軸周りの回転角度の変位（チルト角）を計測したいという要求がある。
【０００５】
本発明の目的は、特定の軸周りのチルト角を計測可能な変位計測装置および変位計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、一形態に係る変位計測装置は、光源と、第１回折格子と、導光部と、第２回折格子と、光検出器と、演算部とを具備する。
前記第１回折格子は、一方向に配列された複数の格子線を有し、前記光源からの光が入射する。
前記導光部には、前記第１回折格子から出射された回折光が入射する。
前記第２回折格子は、前記一方向に配列された複数の格子線を有する第２回折格子であって、前記導光部が前記第１回折格子と前記第２回折格子との間に配置され、前記回折光が入射することにより干渉光を整形する
前記光検出器は、第１受光素子および第２受光素子を有し、前記干渉光を検出する。
前記演算部は、前記第１受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の前記一方向における相対変位を演算する。また、前記演算部は、前記第２受光素子により得られる信号に基づき、前記複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りの、前記第１回折格子および前記第２回折格子のチルト角を演算する。
【０００７】
光検出器が第２受光素子を有するので、この変位計測装置は、第１受光素子による一方向の変位だけでなく、複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りチルト角を計測することができる。
【０００８】
前記光検出器は、前記第２受光素子が複数設けられてなる第１素子群を有していてもよい。
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域により整形される光が前記第１受光素子で受光されるように、かつ、前記第２領域により整形される光が前記第１素子群で受光されるように構成されていてもよい。
【０００９】
これにより、演算部は、第１素子群で得られる信号に基づき、複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りのチルト角を算出することができる。
【００１０】
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられたブランク領域を有していてもよい。
【００１１】
これにより、第１領域と第２領域との間で光を遮断できるので、第１素子群による光の検出精度を高めることができ、複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りのチルト角の計測精度が向上する。
【００１２】
前記光検出器は、前記第２受光素子が複数設けられてなる第２素子群をさらに有し、前記第２素子群が前記第１受光素子を挟んで前記第１素子群と対向して配置されるように構成されていてもよい。
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、前記第１領域が前記第２領域との間に配置されるように前記第２領域と対向して配置された第３領域を有し、前記第３領域により整形される光が前記第２素子群で受光されるように構成されていてもよい。
【００１３】
これにより、光検出器は、第１素子群と第２素子群のどちらでも受光できる。
【００１４】
前記演算部は、前記相対変位に応じて、前記第１素子群および前記第２素子群でそれぞれ得られる信号のうちいずれか一方を選択して使用してもよい。
【００１５】
第１素子群および第２素子群の検出感度は、相対変位に応じて変わる。演算部は、検出感度が高い方の信号を、相対変位に応じて選択して使用することにより、複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りのチルト角の計測精度が向上する。
【００１６】
前記第１回折格子または前記第２回折格子は、前記第１領域と前記第３領域との間に設けられたブランク領域を有していてもよい。
【００１７】
これにより、第１領域と第３領域との間で光を遮断できるので、第２素子群による光の検出精度を高めることができ、複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りのチルト角の計測精度が向上する。
【００１８】
前記光検出器は、前記第２受光素子が並ぶ方向に直交する方向に配置された複数の第３受光素子をさらに有し、前記第１領域により整形される光が前記複数の第３受光素子で受光されるように構成されていてもよい。
前記演算部は、前記複数の第３受光素子で得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の光軸周りのチルト角を演算してもよい。
【００１９】
前記第１領域は、前記一方向に配置された複数のサブ領域を有していてもよい。
前記第１受光素子は複数設けられ、それら複数の第１受光素子が、前記干渉光のうち前記複数のサブ領域により整形される光を受光してもよい。
【００２０】
前記導光部は、対向する平行な一対の反射面を有し、前記第１回折格子から出射した複数次数の回折光のうち特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光（ｍは自然数）を、前記一対の反射面でそれぞれ反射させて前記第２回折格子に導くように構成されていてもよい。
【００２１】
±ｍ次以外の次数の回折光は、一対の反射面により反射されない光路を通るか、または、たとえ反射されたとしても第２回折格子に入射しない光路を通る。このように、変位計測に不要な次数の回折光が、光検出器に入射することを抑制できるので、計測精度を高めることができる。
【００２２】
前記変位計測装置は、前記干渉光のうち、前記第１領域により整形された光にパワーを作用させ、前記第２領域により整形された光にパワーを与えないように構成された集光レンズをさらに具備してもよい。
【００２３】
前記集光レンズは、前記第１領域により整形された光にパワーを作用させるレンズ本体を有し、前記第２領域により整形された光を透過させるように前記レンズ本体に形成された端面を有していてもよい。
【００２４】
他の形態に係る変位計測装置の演算部は、第１回折格子および第２回折格子の一方向における相対変位の他、他の受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の光軸周りのチルト角を演算する。
【００２５】
一形態に係る変位計測方法は、一方向に配列された複数の格子線を有する第１回折格子に、光源から出射された光を入射することを含む。
前記第１回折格子から出射された回折光が導光部に入射する。
前記一方向に配列された複数の格子線を有する第２回折格子であって、前記導光部が前記第１回折格子と前記第２回折格子との間に配置されるように設けられた前記第２回折格子に、前記回折光を入射することにより干渉光が整形される。
第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器により、前記干渉光が検出される。
前記第１受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の前記一方向における相対変位が演算される。
前記第２検出素子により得られる信号に基づき、前記複数の格子線が形成される方向に沿う軸周りの、前記第１回折格子および前記第２回折格子の第１チルト角が演算される。
【００２６】
他の形態に係る変位計測方法では、第１回折格子および第２回折格子の一方向における相対変位の他、他の受光素子により得られる信号に基づき、前記第１回折格子および前記第２回折格子の光軸周りのチルト角を演算する。
【発明の効果】
【００２７】
以上、本発明によれば、計測精度を高めるとともに、特定の軸周りの回転角度の変位を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットを備える変位計測装置を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す変位計測装置をＸ方向から見た図である。
【図３】図３は、第１回折格子をｚ方向で見た図である。
【図４】図４は、第１回折格子の第１領域の３つのサブ領域を示す図である。
【図５】図５Ａは、ＰＤユニットの受光面を示す。図５Ｂは、Ｙ方向の変位が計測された場合の、ＰＤユニットの受光面上における干渉光のパターンを示す。
【図６】図６は、３つのＹ受光素子の出力信号を示すグラフである。
【図７】図７は、３つのＹ受光素子のそれぞれの信号に基づき演算される信号を示すグラフである。
【図８】図８Ａ〜Ｆは、異なる複数のＸチルト角ごとのＰＤユニットの受光状態のシミュレーションを示す。
【図９】図９は、演算により得られた信号ＴＰ、ＤＮを示すグラフである。
【図１０】図１０Ａは、Ｘチルト角ごとのＹ変位とＴＰ値との関係を示すグラフである。図１０Ｂは、Ｘチルト角ごとのＹ変位とＤＮ値との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、Ｙ変位に応じて第１素子群および第２素子群のうちいずれか一方を選択して使用する例において、その変位計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、Ｚチルト角と、信号ＳＺａとＳＺｂの差分値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００３０】
１．変位計測装置の構成
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係る変位計測装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す変位計測装置をＸ方向から見た図である。この変位計測装置１００は、光源１２、コリメートレンズ１４、アパーチャ部材１６、第１回折格子２１、導光部３０、第２回折格子２２、集光レンズ１８、ＰＤ（光検出器：Photo Detector）ユニット４０、演算部５０を備える。図２では、光源１２、コリメートレンズ１４およびアパーチャ部材１６、集光レンズ１８、ＰＤユニット４０の図示が省略されている。
【００３２】
光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。光源１２は、例えば400nm〜900nmで設定される中心波長を持つレーザ光を発生する発光素子であるが、もちろんこのような構成に限られない。
【００３３】
コリメートレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光にする。少なくともこれら光源１２およびコリメートレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。アパーチャ部材１６は、コリメートレンズ１４から出射された光のビーム径を所定のビーム径に絞る機能を有する。コリメートレンズ１４やアパーチャ部材１６は、原理的には無くても構わない。
【００３４】
第１回折格子２１および第２回折格子２２は、共に、同じピッチＰ（図２参照）で同じ向きに形成された複数の格子線（格子溝）２１５、２２５を有する。複数の格子線２１５、２２５は、一方向、ここではＹ方向に配列されている。第２回折格子２２では、実質的にその全面に、Ｘ方向に形成された複数の格子線２２５がＹ方向に配列されている。一方、第１回折格子２１は、後述するように分割された複数の領域を有する。
【００３５】
第１回折格子２１および第２回折格子２２は、格子線２１５、２２５のその配列方向（Ｙ方向）に相対的に変位することが可能に構成されている。この変位計測装置１００は、基本的に、そのＹ方向の相対変位を計測する。
【００３６】
第１回折格子２１は透過型の回折格子である。第１回折格子２１は、光源１２から発生され、コリメートレンズ１４およびアパーチャ部材１６を介して進む光を受け、回折光を生成して出射する。この回折光には、複数の次数の回折光、つまり±１次、±２次、・・・±ｎ（ｎは自然数）次の各回折光が含まれる。また、この回折光には、第１回折格子２１で正反射で発生する０次回折光（以下、０次光と言う。）２６も含まれる。
【００３７】
説明の便宜上、図２を参照してＺ軸に沿う線であって、第１回折格子２１および第２回折格子２２の中心を通る軸（つまり光軸）の線に対して、図中右側に発生する回折光を正（＋）の回折光とする。また、その光軸の左側に発生する回折光を負（−）の回折光とする。
【００３８】
導光部３０は、例えば直方体形状の導光部材３１と、これに接続されたプリズムミラー３５とを有する。すなわち、導光部材３１とプリズムミラー３５とが一体で設けられている。
【００３９】
導光部材３１は、第１回折格子２１から出射された各次数の回折光のうち、特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光２３を一対の反射面３３、３３でそれぞれ反射して、第２回折格子２２に導くように構成されている。±ｍ次回折光２３は、典型的には±１次回折光であるが、例えば±２次、またはそれ以降の他の回折光であってもよい。一対の反射面３３、３３には、例えば金属膜で構成される反射膜がそれぞれ形成されていてもよい。
【００４０】
プリズムミラー３５は、例えば第２回折格子２２に対面する、導光部材３１のＺ方向の一側面に取り付けられている。プリズムミラー３５は、図１に示すように、Ｚ軸に対して例えば45°に配置されたミラー部３５ａを内部に有する。
【００４１】
ミラー部３５ａは、第１の面およびその反対側に設けられた第２の面を有する。第１の面は、第１回折格子２１を透過してＺ方向に沿って進行する０次光２６を、第２回折格子２２の位置とは異なる位置、ここでは、Ｘ方向へ直角に反射し、ＰＤユニット４０が配置される側とは逆側へ進行させる。第２の面は、第２回折格子２２で生成された±ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）が干渉して得られる干渉光２７（図２参照）を、Ｘ方向へ直角に反射し（０次光２６の反射方向とは反対方向）、ＰＤユニット４０へ向けて進行させる。
【００４２】
導光部３０により、不要な光である０次光２６がＰＤユニット４０に入射することによるノイズの発生を実質的に無くすことができ、変位の計測精度を高めることができる。また、±ｍ次以外の次数の回折光は、一対の反射面３３、３３により反射されない光路を通るか、または、たとえ反射されたとしても第２回折格子２２に入射しない光路を通る。このように、変位計測に不要な次数の回折光が、ＰＤユニット４０に入射することを抑制できるので、計測精度を高めることができる。
【００４３】
導光部材３１の透明材本体が無く、一対の反射面は物理的に独立した２つのミラーであってもよい。同様に、導光部材３１とプリズムミラー３５とは別体であってもよい。
【００４４】
第２回折格子２２は、導光部３０が第１回折格子２１との間に配置されるように、第１回折格子２１と対向して配置されている。第２回折格子２２は反射型の回折格子である。
【００４５】
第２回折格子２２に導光部３０から出射された±ｍ次回折光２３が入射することにより、干渉光２７が生成（整形）される。＋ｍ次回折光２３Ａが第２回折格子２２に入射することにより、＋ｍ'次回折光（または−ｍ'次回折光でもよい）２５Ａが生成される。−ｍ次回折光２３Ｂが第２回折格子２２入射することにより、−ｍ'次回折光（または＋ｍ'次回折光でもよい）２５Ｂが生成される。これら±ｍ'次回折光２５が干渉して、ｚ軸に沿って進む干渉光２７が生成される。
【００４６】
なお、「ｍ'」は、一対の反射面３３、３３で反射された回折光の次数である「ｍ」と同じ次数を意味する。第１回折格子２１から出射する回折光の次数に対して、第２回折格子２２から出射する回折光の次数に「'」に形式的に付しているが、これらの次数は同じである。±ｍ次回折光２３が上記したように±１次回折光である場合、±ｍ'次回折光２５も±１次回折光である。
【００４７】
この変位計測装置１００を構成する要素のうち、光源１２、コリメートレンズ１４、アパーチャ部材１６、および第１回折格子２１が図示しない第１フレームに支持される。導光部３０、第２回折格子２２、集光レンズ１８、およびＰＤユニット４０が図示しない第２フレームに支持される。そして、これら第１フレームおよび第２フレームは、Ｙ方向で相対変位可能に、スライダーやバネ等により接続される。あるいは、第２回折格子２２が第１フレームに支持され、第２回折格子２２以外の要素が第２フレームに支持されてもよい。
【００４８】
図３は、第１回折格子２１をＺ方向で見た図である。第１回折格子２１は、一方向であるＹ方向に分割された第１領域２１１、第２領域２１２および第３領域２１３を有する。第１領域２１１が第２領域２１２および第３領域２１３の間に配置される。すなわち、第２領域２１２および第３領域２１３が、第１領域２１１を挟んでＹ方向に対向して配置される。第１領域２１１と第２領域２１２との間、また、第１領域２１１と第３領域２１３との間にはブランク領域２１４がそれぞれ設けられている。第１領域２１１の面積は、第２領域２１２および第３領域２１３の面積より大きく形成されている。
【００４９】
ブランク領域２１４が設けられることにより、第１領域２１１と第２領域２１２（第３領域２１３）との間で光を遮断できるので、後述する第１素子群４１（第２素子群４２）（図５参照）による光の検出精度を高めることができ、複数の格子線２１５、２２５が形成される方向に沿う軸周りのチルト角、すなわちＸチルト角の計測精度が向上する。
【００５０】
図３を参照して、第１領域２１１は、複数のサブ領域に分割されている。例えば、サブ領域は３つ設けられる。例えば、第１サブ領域２１１ａ、第２サブ領域２１１ｂ、第３サブ領域２１１ｃが、この順でＹ方向に並列して配置されている。
【００５１】
図４は、それら３つのサブ領域２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃを示す図である。これら３つのサブ領域のうち２つのサブ領域２１１ｂ、２１１ｃのそれぞれの格子線２１５ｂ、２１５ｃは、基準位置に対してＹ方向に所定の距離だけシフトされるように配置されている。基準位置は、第１回折格子２１および第２回折格子２２が空間上で初期位置に配置された状態（相対変位が０の状態）における、第２回折格子２２の各格子線のＹ方向での配置である。第１サブ領域２１１ａの格子線２１５ａの配置はその基準位置に一致する。
【００５２】
例えば第２サブ領域２１１ｂの各格子線２１５ｂが、基準位置に対して格子線配列の１ピッチの1/4だけＹ方向にシフトされて配置される。また、第３サブ領域２１１ｃの各格子線２１５ｃが、第２サブ領域２１１ｂの各格子線２１５ｂの配置に対して格子線配列の１ピッチの1/4だけＹ方向にシフトされて配置される。これにより、第２回折格子２２から出射される干渉光２７が、90°ずつシフトされた３つの位相を持つ干渉光として生成される。
【００５３】
第２領域２１２および第３領域２１３には、基準位置に一致する配置で格子線２１５がＹ方向に形成されているが、必ずしも基準位置に一致する必要はない。
【００５４】
ＰＤユニット４０は、第２回折格子２２から出射された干渉光２７を検出する。図５Ａは、ＰＤユニット４０の受光面を示す。ＰＤユニット４０は、例えば受光面をＸ軸に垂直に向けて配置されている（図１参照）。ＰＤユニット４０は、複数のＹ受光素子４０ｙ、複数のＸ受光素子４０ｘ、複数のＺ受光素子４０ｚを備える。Ｙ受光素子４０ｙは第１受光素子として、Ｘ受光素子４０ｘは第２受光素子として、そして、Ｚ受光素子４０ｚは第３受光素子として機能する。
【００５５】
Ｙ受光素子４０ｙは、干渉光２７のうち、第１回折格子２１および第２回折格子２２のＹ方向の相対変位に応じて変化する光を検出する素子である。例えば３つのＹ受光素子Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３がある。これらは、一方向であるＹ方向に沿って配置されている。
【００５６】
Ｘ受光素子４０ｘは、干渉光２７のうち、Ｘ軸周りの第１回折格子２１および第２回折格子２２のチルト角（相対的な回転角度変位）に応じて変化する光を検出する素子である。以下、このチルト角をＸチルト角と言う。Ｘ軸周りとは、各回折格子２１、２２の複数の格子線２１５、２２５が形成される方向に沿う軸周りである。
【００５７】
複数のＸ受光素子４０ｘは、２つのＸ受光素子Ｘａ、Ｘｂでなる第１素子群４１と、同じく２つのＸ受光素子Ｘｃ、Ｘｄでなる第２素子群４２とで構成される。第２素子群４２が複数のＹ受光素子４０ｙを挟んで第１素子群４１と対向して配置されるように、このＰＤユニット４０は構成されている。
【００５８】
第１素子群４１が第１回折格子２１の第２領域２１２により生成（整形）される光を受光するように、ＰＤユニット４０が構成され、配置される。第２素子群４２が第１回折格子２１の第３領域２１３により生成（整形）される光を受光するように、ＰＤユニット４０が構成され、配置される。
【００５９】
Ｚ受光素子４０ｚは、干渉光２７のうち、各回折格子２１、２２の光軸回り、すなわちＺ軸周りの、それら回折格子２１および２２間のチルト角に応じて変化する光を検出する素子である。以下、このチルト角をＺチルト角と言う。例えば２つのＺ受光素子Ｚ１、Ｚ２が設けられ、それらは、Ｙ方向における中央位置で、Ｙ方向に直交する方向に並んで配置されている。
【００６０】
集光レンズ１８は、干渉光２７のうち、第１回折格子２１の第１領域２１１により生成された光にパワー（レンズ効果）を作用させ、第２領域２１２および第３領域２１３により生成されたそれぞれの光にパワーを与えないように構成される。
【００６１】
具体的には、図１に示すように、集光レンズ１８は、第１領域２１１により生成された光にパワーを作用させるレンズ本体１８ａを有し、レンズ本体１８ａのＹ方向の両端にはカット端面１８ｂが設けらている。すなわち、レンズ本体１８ａの上下はカットされており、第２領域２１２および第３領域２１３により生成された光はレンズ本体１８ａの上下の空間を通る。これにより、ＰＤユニット４０に設けられたＹ受光素子４０ｙ、Ｘ受光素子４０ｘ、Ｚ受光素子４０ｚによるそれぞれの受光効率を高めることができる。
【００６２】
ＰＤユニット４０により得られる検出信号は演算部５０に入力される。演算部５０は、その信号に基づき、第１回折格子２１および第２回折格子の相対的なＹ方向の変位（以下、Ｙ変位と言う）、Ｘチルト角、Ｚチルト角を算出するように構成される。演算部５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを備えている。ＣＰＵに代えて、またはこれに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよい。
【００６３】
２．変位計測装置による計測原理
【００６４】
２．１）Ｙ方向の変位の計測原理
【００６５】
図５Ｂは、Ｙ方向の変位が計測された場合の、ＰＤユニット４０の受光面上における干渉光パターンを示す。第１回折格子２１の３つのサブ領域２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃに対応して、位相がシフトされた３つの干渉光２７１ａ、２７１ｂ、２７１ｃがそれぞれ３つのＹ受光素子Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３に入射する。
【００６６】
図６は、３つのＹ受光素子Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３の出力信号を示すグラフである。縦軸の強度（光の強度）は正規化されている。横軸は変位を示す。Ｙ受光素子Ｙ１の信号をＳ１、Ｙ受光素子Ｙ２の出力をＳ２、Ｙ受光素子Ｙ３の信号をＳ３として示す。上述したように、第１領域２１１、第２領域２１２、第３領域２１３の格子線２１５が１ピッチの1/4ずつシフトされている。このため、図１０に示すように、Ｙ受光素子Ｙ２の信号Ｓ２の位相は、Ｙ受光素子Ｙ１のそれに対して90degずれており、Ｙ受光素子Ｙ３の信号Ｓ３の位相は、Ｙ受光素子Ｙ２のそれに対して90degずれている。
【００６７】
Ｙ受光素子Ｙ３の信号Ｓ３は、Ｙ受光素子Ｙ１の信号Ｓ１に対して位相が180degずれているため、これら信号Ｓ１とＳ３を加算して２で割ることによってＤＣ値（基準値）が得られる（（Ｓ１＋Ｓ３）／２）。ＤＣ値は、光源１２からの出射光量に変動が生じると、それに伴って変動する。出射光量に変動が生じる原因として、例えば光源１２の温度ドリフトや経年変化等による外乱がある。
【００６８】
図７は、Ｙ受光素子Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３のそれぞれの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に基づき演算される信号を示すグラフである。図に示すように信号Ｓ１から上記ＤＣ値を引くことによって信号Ｓａが得られる（Ｓ１−（Ｓ１＋Ｓ３）／２）。信号Ｓ２からＤＣを引くことによって信号Ｓｂが得られる（Ｓ２−（Ｓ１＋Ｓ３）／２）。このようにＤＣ値を引くことにより、上記外乱の影響が除外され、安定した計測精度を維持できる。
【００６９】
演算部５０は、これら信号ＳａおよびＳｂのうち少なくとも一方を使って変位を出力する。信号ＳａまたはＳｂの波形のリニア範囲が、計測対象として出力可能な変位に対応する。変位計測装置１００の製造時（製品の工場出荷時まで）に、例えば、Ｓａ値、Ｓｂ値のリニア範囲における変位と強度との関係を示すデータがＲＯＭに記憶される。演算部５０はこのデータを用いて変位を出力することができる。
【００７０】
あるいは、演算部５０は、Ｓａ値、Ｓｂ値をパラメータとした所定の演算式に基づき変位を演算してもよい。
【００７１】
なお、演算部５０は、信号ＳａおよびＳｂの両方を使う場合、例えば特開2015-017943号公報の図８〜１０を用いて説明した計測原理を採用することができる。これにより、計測精度が向上する。
【００７２】
２．２）Ｘチルト角の計測原理
【００７３】
次に、Ｘチルト角の計測原理を説明する。図５Ｂに示すＰＤユニット４０の受光面は、Ｘチルト角が発生していない（Ｘチルト角＝０）状態を示している。上述したように、第１回折格子２１の第２領域２１２により生成される光が、第１素子群４１で検出される。また、第３領域２１３により生成される光が、第２素子群４２で検出される。
【００７４】
Ｘチルト角＝０の状態では、第１素子群４１の２つのＸ受光素子Ｘａ、Ｘｂは、均等な光量を受光するように、第１回折格子２１、第２回折格子２２、ＰＤユニット４０等の光学要素が構成、配置されている。第２素子群４２についても同様である。
【００７５】
図８Ａ〜Ｆは、異なる複数のＸチルト角ごとのＰＤユニット４０の受光状態のシミュレーションを示す。Ｘチルト角は例えば+0.01deg（図８Ａ）、+0.02deg（図８Ｂ）、+0.03deg（図８Ｃ）、-0.01deg（図８Ｄ）、-0.02deg（図８Ｅ）、-0.03deg（図８Ｆ）に設定された。符号の違いは、Ｘチルト角の向きの違い（左回り、右回り）を表す。これらの図に示すように、Ｘチルト角の絶対値が大きいほど、第１素子群４１（または第２素子群４２）の２つのＸ受光素子Ｘａ、Ｘｂ（またはＸｃ、Ｘｄ）の得られる光量の差分値が大きくなることがわかる。すなわち、当該差分値を得ることにより、Ｘチルト角を計測することができる。
【００７６】
２．２．１）第１素子群および第２素子群のうちいずれか一方のみを使用する例
【００７７】
第１素子群４１の２つのＸ受光素子Ｘａ、Ｘｂで得られる信号をそれぞれＳＸａ、ＳＸｂとする。これらＳＸａとＳＸｂの差分値をＴＰとする（ＴＰ＝ＳＸａ−ＳＸｂ）。第２素子群４２の２つのＸ受光素子Ｘｃ、Ｘｄで得られる信号をＳＸｃ、ＳＸｄとする。これらＳＸａとＳＸｂの差分値をＤＮとする（ＤＮ＝ＳＸｃ−ＳＸｄ）。
【００７８】
図９は、これらの演算により得られた信号ＴＰ、ＤＮを示すグラフである。縦軸の出力は正規化されている。Ｘチルト角に応じた第１素子群４１に入射する光の動きと、Ｘチルト角に応じた第２素子群４２に入射する光の動きは同じである。つまり、図９に示すように、ＴＰとＤＮは一致した信号となる。
【００７９】
演算部５０が第１素子群４１から得られる信号に基づきＴＰを演算することにより、あるいは、第２素子群４２から得られる信号に基づきＤＮを演算することにより、ＴＰおよびＤＮのリニア範囲でＸチルト角を計測可能となる。当該リニア範囲は、図９のグラフでは-0.03deg〜+0.03degの範囲である。もちろん設計によっては、より広い範囲でＸチルト角を計測可能である。
【００８０】
このように、この変位計測装置１００は、第１素子群４１および第２素子群４２のうちいずれか一方を使用することにより、Ｘチルト角を計測することができる。変位計測装置１００の製造時（製品の工場出荷時まで）に、例えば、図９に示した信号のリニア範囲におけるＴＰ値またはＤＮ値を示すルックアップテーブルがＲＯＭに記憶される。演算部５０はこのルックアップテーブルを用いて変位を出力することができる。
【００８１】
あるいは、演算部５０は、ＴＰ値またはＤＮ値をパラメータとした所定の演算式に基づき、Ｘチルト角を演算してもよい。
【００８２】
２．２．２）Ｙ変位に応じて第１素子群および第２素子群のうちいずれか一方を選択して使用する例
【００８３】
次に、Ｙ変位に応じて、第１素子群４１および第２素子群４２でそれぞれ得られる信号のうちいずれか一方を選択して、Ｘチルト角を計測する方法について説明する。
【００８４】
図１０Ａは、Ｘチルト角ごとのＹ変位とＴＰ値との関係を示すグラフである。図１０Ｂは、Ｘチルト角ごとのＹ変位とＤＮ値との関係を示すグラフである。これらのグラフは、Ｙ変位に応じて、ＴＰ値、ＤＮ値が変化する状態を示している。
【００８５】
第１回折格子２１および第２回折格子２２の相対的なＹ方向の動きが固定されていない場合（Ｙ変位が計測可能な状態である場合）、これら回折格子２１、２２およびＰＤユニット４０の構成上、そのＹ変位に応じてＴＰ値、ＤＮ値が変化する。ＲＯＭに予め（工場出荷時までに）図１０Ａ、Ｂに示す関係のデータが記憶される。それら回折格子２１、２２のＹ方向の動きが固定されていない場合、演算部５０は、そのＲＯＭに記憶されたデータに基づき（Ｙ変位に応じて）、算出したＴＰ値、ＤＮ値に対応するＸチルト角を出力することができる。
【００８６】
ここで、演算部５０は、Ｙ変位に応じて変動するＴＰ値およびＤＰ値のうち、いずれか振幅が大きい方を採用する。振幅が大きいほどＸ受光素子４０ｘの感度が高いことを示し、より高精度な計測結果が得られるからである。図１０Ａ、Ｂに示す例では、演算部５０は、Ｙ変位が0〜0.75μmの範囲では、ＴＰ値（図１０Ａ）のデータに基づきＸチルト角を出力する。演算部５０は、Ｙ変位が0.75μm〜1.5μmの範囲では、ＤＮ値（図１０Ｂ）のデータに基づきＸチルト角を出力する。
【００８７】
以上のように、第１素子群４１および第２素子群４２の検出感度は、Ｙ変位に応じて変わる。演算部５０は、検出感度が高い方の信号を、相対変位に応じて選択して使用することにより、Ｘチルト角の計測精度が向上する。また、本実施形態によれば、広範囲のＹ変位について、Ｘチルト角の計測が可能となる。
【００８８】
図１０Ａ、Ｂのグラフでは、Ｘチルト角として0.01deg、0.03deg、0.05degのみを示した。0.02deg、0.04degについてはここでは示していないが、もちろん計測可能である。また、0.06deg以上についても同様である。
【００８９】
なお、第１回折格子２１および第２回折格子２２のＹ方向の動きが予め図示しない固定機構により固定される場合、上記の２．２．１）で説明したように、変位計測装置１００は、第１素子群４１および第２素子群４２のうちいずれか一方のみを使用してＸチルト角を計測することができる。
【００９０】
図１１は、Ｙ変位に応じて第１素子群４１および第２素子群４２のうちいずれか一方を選択して使用する例において、その変位計測装置１００の動作を示すフローチャートである。
【００９１】
演算部５０はＹ変位を算出する（ステップ１０１）。演算部５０は、そのＹ変位が閾値（図１０Ａ、Ｂの例では0.75μm）以下であるか否かを判定する（ステップ１０２）。演算部５０は、Ｙ変位が上記閾値以下である場合、ＴＰ値、すなわち第１素子群４１の検出値に対応するＸチルト角を出力する（ステップ１０３）。演算部５０は、Ｙ変位が閾値を超える場合、ＤＮ値、すなわち第２素子群４２の検出値に対応するＸチルト角を出力する（ステップ１０４）。
【００９２】
２．３）Ｚチルト角の計測原理
【００９３】
次に、Ｚチルト角の計測原理について説明する。第１回折格子２１および第２回折格子２２の間にＺチルトが発生すると、Ｙ方向に延びる複数の光束が発生する。すなわち、図５Ａにおいて縦縞の干渉縞が発生する。２つのＺ受光素子Ｚ１、Ｚ２により、その光量の差分値が検出されることにより、Ｚチルト角が計測可能である。
【００９４】
２つのＺ受光素子Ｚ１、Ｚ２のそれぞれの検出信号を信号ＳＺａ、ＳＺｂとする。図１２は、Ｚチルト角と、信号ＳＺａとＳＺｂの差分値との関係を示すグラフである。このグラフのデータは予め（工場出荷時までに）ＲＯＭに記憶される。演算部５０は、差分値ＳＺａ−ＳＺｂに基づき、このグラフ上の例えば-0.05deg〜+0.05degのリニア領域において、Ｚチルト角を出力することができる。なお、Ｚチルト角はＹ変位に影響されない。
【００９５】
３．変形例
【００９６】
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。
【００９７】
上記実施形態では、Ｙ受光素子４０ｙは複数設けられていたが、１つであってもよい。Ｙ受光素子４０ｙが複数設けられることにより、位相の異なる複数の信号を得ることができるので、上記特開2015-017943号公報の説明の通り、計測精度が向上する。あるいは、Ｙ受光素子４０ｙは４つ以上設けられていてもよい。回折格子のサブ領域の数、つまりシフトされる位相の数に対応してＹ受光素子４０ｙの数を適宜設定可能である。
【００９８】
Ｘ受光素子４０ｘの数や、第１素子群４１（または第２素子群４２）に含まれるＸ受光素子４０ｘの数、また、Ｚ受光素子４０ｚの数も適宜変更可能である。第１素子群４１または第２素子群４２に含まれるＸ受光素子４０ｘの数は２以上とされる。
【００９９】
上記実施形態に係る変位計測装置１００は、Ｘチルト角およびＺチルト角の両方を計測可能であったが、それらのうちいずれか一方を計測可能な構成を備えていてもよい。すなわち、Ｚチルト角の計測が不要であれば、Ｚ受光素子４０ｚは不要である。Ｘチルト角の計測が不要であれば、Ｘ受光素子４０ｘは不要であり、かつ、第１回折格子２１の第２領域２１２および第３領域２１３は不要である。
【０１００】
上記実施形態では、第１回折格子２１が分割された複数の領域（サブ領域を含む）を有していたが、第２回折格子２２がそれらの領域を有していてもよい。その場合、第１回折格子はそのような分割された複数の領域を有しない。
【０１０１】
集光レンズ１８は、カット端面１８ｂを有していたが、第２領域２１２および第３領域２１３により生成された光が透過する、パワーを有しない透明領域が集光レンズに設けられていてもよい。
【０１０２】
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。
【符号の説明】
【０１０３】
１２…光源
１８…集光レンズ
１８ａ…レンズ本体
１８ｂ…カット端面
２１…第１回折格子
２２…第２回折格子
２３…±ｍ次回折光
２５…±ｍ'次回折光
２７、２７１ａ、２７１ｂ、２７１ｃ…干渉光
３０…導光部
３３…反射面
４０…ＰＤユニット
４０ｘ（Ｘａ、Ｘｂ、Ｘｃ、Ｘｄ）…Ｘ受光素子
４０ｙ（Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３）…Ｙ受光素子
４０ｚ（Ｚ１、Ｚ２）…Ｚ受光素子
４１…第１素子群
４２…第２素子群
５０…演算部
１００…変位計測装置
２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ…サブ領域
２１１…第１領域
２１２…第２領域
２１３…第３領域
２１４…ブランク領域
２１５、２２５…格子線
【図１】
2018194526.tif 000003
【図２】
2018194526.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018194526.tif 000009
【図８】
2018194526.tif 000010
【図９】
2018194526.tif 000011
【図１０】
2018194526.tif 000012
【図１１】
2018194526.tif 000013
【図１２】
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