(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
第１光学素子および第２光学素子により構成され、相対的に移動可能で、光線の進路に沿って対向して設けられ、前記光源から出射された光が入射する回折格子対と、
前記第１光学素子および第２光学素子からそれぞれ出射された回折光による干渉光を検出する第１検出部と、
前記回折格子対から出射された非干渉光を検出する第２検出部と、
前記第１検出部で得られた信号に基づき、前記第１光学素子および第２光学素子の各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子の相対変位を算出する相対変位算出部と、
前記第２検出部で得られた信号に基づき、前記各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子のうち一方に対する他方の絶対位置を算出する絶対位置算出部と
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、
前記第１検出部は、ｎを１以上の自然数とすると、前記第１光学素子による＋ｎ次回折光が前記第２光学素子に入射して前記第２光学素子から発生する−ｎ次回折光と、前記第１光学素子による−ｎ次回折光が前記第２光学素子に入射して前記第２光学素子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を検出する
変位計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変位計測装置であって、
前記第２検出部は、ｎを１以上の自然数とする場合、前記第１光学素子による＋ｎ次回折光が前記第２光学素子に入射して前記第２光学素子から発生する＋（ｎ＋１）次回折光を検出する
変位計測装置。
【請求項４】
請求項１から３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２検出部は、前記第１光学素子および前記第２光学素子の相対移動により前記非干渉光が移動する方向に配列された第１検出領域および第２検出領域を有し、
前記絶対位置算出部は、前記第１検出領域および第２検出領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記絶対位置を算出する
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、
前記絶対位置算出部は、前記第１検出領域および第２検出領域でそれぞれ得られた信号の差分に基づき、前記絶対位置を算出する
変位計測装置。
【請求項６】
請求項１から３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２検出部の受光領域の端縁は、前記第１光学素子および第２光学素子の相対移動により前記非干渉光が移動する移動方向に直交せず、かつ、前記移動方向とは異なる方向に沿って設けられた特定端縁を含む
変位計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載の変位計測装置であって、
前記第２検出部は、遮光領域を有し、前記受光領域の特定端縁は前記遮光領域との境界線である
変位計測装置。
【請求項８】
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検出領域および第２検出領域の両方の受光領域の端縁は、前記第１光学素子および第２光学素子の相対移動により前記非干渉光が移動する移動方向に直交せず、かつ、前記移動方向とは異なる方向に沿うように設けられた特定端縁を含む
変位計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の変位計測装置であって、
前記第１検出領域および第２検出領域は、遮光領域をそれぞれ有し、前記受光領域の特定端縁は前記遮光領域との境界線である
変位計測装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の変位計測装置であって、
前記第１光学素子および第２光学素子のうちいずれか一方の光学素子は、回折格子領域と、非回折格子領域とを含み、
前記第２検出部は、前記非回折格子領域を通過した光を前記非干渉光として検出する
変位計測装置。
【請求項１１】
光源と、
第１光学素子および第２光学素子により構成され、相対的に移動可能で、光線の進路に沿って対向して設けられ、前記光源から出射された光が入射する回折格子対と、
前記回折格子対から出射された光を検出する検出部とを備える変位計測装置による変位計測方法であって、
前記第１光学素子および第２光学素子からそれぞれ出射された回折光による干渉光を、前記検出部のうち第１検出部で検出し、
前記回折格子対から出射された非干渉光を、前記検出部のうち第２検出部で検出し、
前記第１検出部で得られた信号に基づき、前記第１光学素子および第２光学素子の各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子の相対変位を算出し、
前記第２検出部で得られた信号に基づき、前記各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子のうち一方に対する他方の絶対位置を算出する
変位計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及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、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第2011/043354号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の変位計測装置は、インクリメンタル方式を採用するため、絶対位置やゼロ点を検出できない、という問題がある。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、光干渉を利用した計測装置において、絶対位置を検出することができる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、本発明の一形態に係る変位計測装置は、光源と、回折格子対と、第１検出部と、第２検出部と、相対変位算出部と、絶対位置算出部とを具備する。
前記回折格子対は、第１光学素子および第２光学素子により構成され、相対的に移動可能で、光線の進路に沿って対向して設けられ、前記光源から出射された光がこの回折格子対に入射する。
前記第１検出部は、前記第１光学素子および第２光学素子からそれぞれ出射された回折光による干渉光を検出する。
前記第２検出部は、前記回折格子対から出射された非干渉光を検出する。
前記相対変位算出部は、前記第１検出部で得られた信号に基づき、前記第１光学素子および第２光学素子の各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子の相対変位を算出する。
前記絶対位置算出部は、前記第２検出部で得られた信号に基づき、前記各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子のうち一方に対する他方の絶対位置を算出する。
この変位計測装置では、第１検出部で検出された干渉光の信号に基づき回折格子対の相対変位を検出し、第２検出部で検出された非干渉光の信号に基づき、その絶対位置を検出することができる。
【０００７】
前記第１検出部は、前記第１光学素子による＋ｎ次回折光が前記第２光学素子に入射して前記第２光学素子から発生する−ｎ次回折光と、前記第１光学素子による−ｎ次回折光が前記第２光学素子に入射して前記第２光学素子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を検出してもよい。ただし、ｎを１以上の自然数とする。
これにより、干渉光を形成することができ、相対変位算出部は、高精度に第１および第２光学素子の相対変位を算出することができる。
【０００８】
前記第２検出部は、前記第１光学素子による＋ｎ次回折光が前記第２光学素子に入射して前記第２光学素子から発生する＋（ｎ＋１）次回折光を検出してもよい。
これにより、回折格子対から非干渉光を発生させることができ、第１検出部から離れた位置に第２検出部を配置することができる。
【０００９】
前記第２検出部は、前記第１光学素子および前記第２光学素子の相対移動により前記非干渉光が移動する方向に配列された第１検出領域および第２検出領域を有してもよい。また、前記絶対位置算出部は、前記第１検出領域および第２検出領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記絶対位置を算出してもよい。
このように２つの検出領域が設けられることにより、２つの信号が得られるので、絶対位置算出部は、その２つの信号に基づき、高精度な絶対位置の演算を行うことができる。
【００１０】
前記絶対位置算出部は、前記第１検出領域および第２検出領域でそれぞれ得られた信号の差分に基づき、前記絶対位置を算出してもよい。
差分が算出されることにより、第２検出部の経時または経年変化による信号の出力値の低下の影響を受けることがなく、計測精度を維持することができる。
【００１１】
前記第２検出部の受光領域の端縁は、前記第１光学素子および第２光学素子の相対移動により前記非干渉光が移動する移動方向に直交せず、かつ、前記移動方向とは異なる方向に沿って設けられた特定端縁を含んでいてもよい。
これにより、第１光学素子および第２光学素子の相対的な単位変位ごとの、第２検出部により得られる非干渉光の受光量の変化を大きくすることができる。その結果、絶対位置の計測の分解能を高めることができる。
【００１２】
前記第２検出部は、遮光領域を有し、前記受光領域の特定端縁は前記遮光領域との境界線であってもよい。
【００１３】
前記第１検出領域および第２検出領域の両方の受光領域の端縁は、前記第１光学素子および第２光学素子の相対移動により前記非干渉光が移動する移動方向に直交せず、かつ、前記移動方向とは異なる方向に沿うように設けられた特定端縁を含んでいてもよい。
【００１４】
前記第１検出領域および第２検出領域は、遮光領域をそれぞれ有し、前記受光領域の特定端縁は前記遮光領域との境界線であってもよい。
【００１５】
前記第１光学素子および第２光学素子のうちいずれか一方の光学素子は、回折格子領域と、非回折格子領域とを含み、前記第２検出部は、前記非回折格子領域を通過した光を前記非干渉光として検出してもよい。
【００１６】
本発明の一形態に係る変位計測方法は、光源と、回折格子対と、検出部とを備える変位計測装置による変位計測方法である。
前記回折格子対は、第１光学素子および第２光学素子により構成され、相対的に移動可能で、光線の進路に沿って対向して設けられ、前記光源から出射された光がこの回折格子対に入射する。
前記検出部は、前記回折格子対から出射された光を検出する。
前記第１光学素子および第２光学素子からそれぞれ出射された回折光による干渉光が、前記検出部のうち第１検出部で検出される。
前記回折格子対から出射された非干渉光が、前記検出部のうち第２検出部で検出される。
前記第１検出部で得られた信号に基づき、前記第１光学素子および第２光学素子の各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子の相対変位が算出される。
前記第２検出部で得られた信号に基づき、前記各格子線の配列方向における、前記第１光学素子および第２光学素子のうち一方に対する他方の絶対位置が算出される。
【発明の効果】
【００１７】
以上の発明によれば、光干渉を利用した変位計測において、絶対位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】図２は、第２検出部を構成する第１ＰＤおよび第２ＰＤのそれぞれの検出領域を示す。
【図３】図３は、変位計測装置の機械的な動きの例を説明するための図である。
【図４】図４は、回折格子対のｘ方向における相対的な変位と、第１検出部で得られる電圧信号との関係を示すグラフである。
【図５】図５Ａは、第２検出部により得られる信号を示すグラフである。図５Ｂは、図５Ａに示したグラフのシミュレーション結果を示す。
【図６】図６は、演算回路の機能的な構成を示すブロック図である。
【図７】図７Ａ〜Ｃ、本発明の第２の実施形態に係る第２検出部を構成する第１ＰＤおよび第２ＰＤの検出領域の各例を示す。
【図８】図８Ａ、Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る第２検出部を構成する第１ＰＤおよび第２ＰＤの、さらに別の例に係る検出領域を示す。
【図９】図９は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成の一部を示す。
【図１０】図１０は、さらに別の実施形態に係る回折格子対の要部を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
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。
【００２１】
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、第１検出部３１、第２検出部３２、および演算回路４０を備える。
【００２２】
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。
【００２３】
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およ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。
【００２４】
回折格子対２０には、光源１２およ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光学素子２１および第２光学素子２２によって構成される。これら第１光学素子２１および第２光学素子２２は、それぞれ回折格子素子である。第１光学素子２１および第２光学素子２２は、光源１２およ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およ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。
【００２５】
第１光学素子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。
【００２６】
第２光学素子２２は、第１光学素子２１から出射して第２光学素子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。説明の便宜上、以降では、０次光３０ａおよび０次光３０ｂの両方の回折光を指すときは、「０次光３０」と言う。第２光学素子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。
【００２７】
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。
【００２８】
−ｎ次回折光２３ｂおよび＋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。第１検出部３１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および＋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を検出する第１検出部３１は、回折格子対２０の光軸上に配置される。第１検出部３１は、典型的には、１つのＰＤ（フォトダイオード）で構成される。
【００２９】
なお、光軸上の光には０次光３０も含まれており、第１検出部３１は干渉光２７以外にこの０次光３０も受光する。しかし、この０次光３０は、変位計測には不要であるため、変位計測装置１００は、特定の手段によってこの０次光３０の影響を低減している。別手段とは、例えば回折格子対２０間の距離を、所定距離に保つことである。
【００３０】
所定距離とは、０次光３０、回折光（２３ａ、２３ｂ）、回折光（２５ａ、２５ｂ）の３つの光の光路差が、
（２ａ＋１）λ／４（ａは０以上の整数）
を満たすような距離である。回折光（２３ａ、２３ｂ）および回折光（２５ａ、２５ｂ）には、実質的な光路差は発生しない。したがって、実質的には、０次光３０と、回折光（２３ａ、２３ｂ）または回折光（２５ａ、２５ｂ）との光路差が上記式を満たせばよい。
【００３１】
第１光学素子２１および第２光学素子２２は、実質的に同じ形状および同じサイズを有する回折格子素子である。例えば、各光学素子２１（および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（および２２ａ）を有する。第１光学素子２１の格子線２１ａのピッチＰと、第２光学素子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および２２ａの構造例として、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。
【００３２】
本実施形態に係る変位計測装置１００は、格子線２１ａおよび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。
【００３３】
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および２２ａに沿う方向をｙ方向とし、格子線２１ａおよび２２ａの配列方向をｘ方向としている。また、ｘ軸において、図１中、右方向を正（＋）とし、左方向を負（−）としている。
【００３４】
第２検出部３２は、典型的には、ｘ方向に配列された２つのＰＤとして、第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂで構成される。第１ＰＤ３２Ａは、光が入射す面に第１検出領域を有し、第２ＰＤ３２Ｂは、光が入射する面に第２検出領域を有する。図２は、第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂのそれぞれの検出領域を示す。これらの検出領域は、例えば概ね矩形状を有する。
【００３５】
図１に示すように、第１光学素子２１から出射した−ｎ次回折光が第２光学素子２２に入射し、第２光学素子２２からさらに−（ｎ＋１）次回折光を検出する。ｎを１以上の自然数とする
【００３６】
本実施形態では、典型的には、第１検出部３１は、第１光学素子２１から出射された＋１次回折光２３ａであって第２光学素子２２から出射された−１次回折光２３ｂと、第１光学素子２１から出射された−１次回折光２５ａであって第２光学素子２２から出射された＋１次回折光２５ｂとの干渉光２７を検出する。
【００３７】
また、典型的には、第２検出部３２は、第１光学素子２１から出射された−１次回折光２５ａであって第２光学素子２２から出射された−１次回折光２５ｃを受光可能な位置に配置されている。この−１次回折光２５ａおよび−１次回折光２５ｃは、他の光と干渉しない非干渉光である。
【００３８】
以上のように、第１検出部３１および第２検出部３２は、±１次回折光のレベルの光を扱うが、±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。
【００３９】
なお、厳密には、この−１次回折光２５ｃを構成するビームのすべてが非干渉光であるわけではなく、弱い光強度のレベルにおいては干渉が起こっている光領域もある。しかしそれは光強度が低いレベルの光であるため、本技術には影響しない。
【００４０】
図２の説明に戻る。基準位置において、回折格子対２０から発生する−１次回折光２５ｃである非干渉光の光束の中心Ｃが、第１ＰＤ３２Ａ、第２ＰＤ３２Ｂの各検出領域の間の中心と実質的に一致するように、これら第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂが配置される。基準位置とは、この変位計測装置１００のホームポジションである。説明のしやすさの観点から、この基準位置を、便宜的に、第１光学素子２１および第２光学素子２２の変位（図１に示すΔｘ）が０となる位置と定義する。そして、回折格子対２０がこの基準位置にある状態が、変位Δｘがゼロである状態（回折格子対２０が絶対位置におけるゼロ点にある状態）と定義する。
【００４１】
第１光学素子２１および第２光学素子２２がｘ方向に相対的に変位すると、図２に示すように、非干渉光２５ｃのビームは、第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂの間の中心位置から、破線で示すように、ｘ軸上の正負のいずれか一方の方向に移動する。第１光学素子２１および第２光学素子２２の相対移動の方向によって、非干渉光２５ｃのビームの移動するｘ軸上の正負方向が異なる。第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂは、第１光学素子２１および第２光学素子２２の相対移動により非干渉光２５ｃが移動する方向（本実施形態ではｘ方向）に配列される。
【００４２】
図３は、以上のように構成された変位計測装置１００の機械的な動きの例を説明するための図である。光源１２、コリメータレンズ１４、および第１光学素子２１が、筐体（またはフレーム）５１により一体的に支持される。また、第２光学素子２２、第１検出部３１、および第２検出部３２が、筐体（またはフレーム）５２により一体的に支持される。筐体５１および５２は、図示しないスライド機構（例えばスライドシャフト等）により、相対的にｘ方向に移動可能に構成されている。また、これら筐体５１および５２は、図示しないバネ（例えば板バネ等）のバネ力により、上記基準位置に戻るように構成されている。
【００４３】
演算回路４０は、第１検出部３１および第２検出部３２で得られるそれぞれの信号（受光量に対応する電圧信号）Ｓ１、Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂに基づいて、所定の演算処理を行うことで、相対変位Δｘおよび絶対位置を算出するように構成される。具体的には、演算回路４０は、第１検出部３１で得られた信号Ｓ１に基づき変位Δｘを算出し、第２検出部３２で得られた信号Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂに基づき、絶対位置、つまりゼロ点からの位置を算出する。
【００４４】
（２）変位計測装置による変位の計測原理
（ａ）第１検出部により得られる信号
図４は、回折格子対２０のｘ方向における相対的な変位（μm）と、第１検出部３１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および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。
【００４５】
このグラフからわかるように、第１検出部３１は、格子線２１ａおよび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、第１検出部３１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。
【００４６】
（ｂ）第２検出部により得られる信号
図２に示すように、基準位置に対応する非干渉光２５ｃビームの位置（図２でハッチングで示すビーム位置）から、非干渉光ビームの右方向へ移動する量が増えるにしたがって、第２ＰＤ３２Ｂによる受光量は増え、第１ＰＤ３２Ａによる受光量は減る。反対に、基準位置に対応する非干渉光ビーム位置から、非干渉光のビームが左方向へ移動する量が増えるにしたがって、第２ＰＤ３２Ｂによる受光量は減り、第１ＰＤ３２Ａによる受光量は増える。
【００４７】
図５Ａは、第２検出部３２により得られる信号を示すグラフである。横軸は、回折格子対２０の相対変位（Δｘ）である。横軸の右方向を正（＋）、左方向を負（−）として、第１光学素子２１と第２光学素子２２の相対移動方向を定義した。縦軸は受光量である。実線が第１ＰＤ３２Ａにより得られる受光量、破線が第２ＰＤ３２Ｂより得られる受光量を示す。このように第２検出部３２では、回折格子対２０の基準位置に対応するゼロ点を中心として、ｘ方向に対称形状の受光量が得られる。図５Ｂは、図５Ａに示したグラフのシミュレーション結果を示す。
【００４８】
（ｃ）演算回路
図６は、演算回路４０の機能的な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、相対変位算出部４２を備える。
【００４９】
Ａ／Ｄ変換器４１は、第１検出部３１から出力されたアナログの波形信号Ｓ１をデジタル値に変換する。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ように構成される。
【００５０】
相対変位算出部４２は、上記カウント値に基づき相対変位を算出するように構成される。上記したように、１波数（１カウント値）は、上記格子線２１ａおよび２２ａのピッチＰに相当する。したがって、相対変位算出部４２は、このカウント値に固定値であるピッチＰを乗算することにより、回折格子対２０の相対変位を算出することができる。
【００５１】
相対変位Δｘは、電源投入時に初めて計測された回折格子対２０の変位である。したがって、電源投入の瞬間に回折格子対２０が基準位置にない場合、相対変位Δｘは、その電源投入の瞬間の時の位置からの変位を示し、基準位置からの変位を示すものではない。
【００５２】
演算回路４０は、差分算出部４３、Ａ／Ｄ変換器４４、絶対位置算出部４５、データ記憶部４６、変位算出部４７を有する。
【００５３】
差分算出部４３は、第２検出部３２における第１ＰＤ３２Ａから出力されたアナログの波形信号Ｓ２Ａ、および、第２ＰＤ３２Ｂから出力されたアナログの波形信号Ｓ２Ｂの差分を算出するように構成される。差分算出部４３は、典型的には差動増幅器により構成される。
【００５４】
Ａ／Ｄ変換器４４は、差分算出部４３から出力されたアナログの信号をデジタル値に変換する。
【００５５】
なお、差分算出部４３とＡ／Ｄ変換器４４の配置が逆でもよい。この場合、波形信号Ｓ２ＡおよびＳ２ＢがＡＤ変換され、得られた２つの信号値の差分が差分算出部４３により算出される。この場合、差分差出部はデジタル処理が可能な回路により構成される。
【００５６】
データ記憶部４６は、その差分値と、回折格子対２０の相対移動による移動量（基準位置に対応するゼロ点からの移動量）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。本実施形態では、差分値が０の時、回折格子対２０が基準位置にあるとする。このテーブルデータは、この変位計測装置１００の設計時、あるいは製造時において、図５Ａ、Ｂに示すデータに基づき作成され、データ記憶部４６に記憶される。
【００５７】
絶対位置算出部４５は、上記テーブルデータを参照して、差分算出部４３で実際に算出された差分値に対応する絶対位置を抽出し、これを出力する。
【００５８】
なお、絶対位置算出部４５は、ルックアップテーブル方式を採用せず、例えば図５Ａ、Ｂに基づき作成された、絶対位置を得るための演算式を予め記憶しておくようにしてもよい。この場合、絶対位置算出部４５は、その演算式を用いて、上記実際に算出された差分値に基づき、絶対位置を算出することができる。
【００５９】
変位算出部４７は、相対変位算出部４２で得られた相対変位と、絶対位置算出部４５で得られた絶対位置とに基づき、絶対変位を算出するように構成される。具体的には、変位算出部４７は、絶対位置算出部４５により算出された絶対位置を得、その絶対位置に、相対変位算出部４２で算出された相対変位を加えることにより、絶対変位を出力することができる。
【００６０】
また、図５Ａ、Ｂに示すように、差分算出部４３で得られる差分値の極性（正または負）から、絶対位置算出部４５は、現在位置が基準位置からどちらの側にあるかを判定することができる。
【００６１】
演算回路４０は、例えば主に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。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。演算回路４０の一部がアナログ回路（例えば上述した差動増幅器）で構成される場合もある。
【００６２】
（３）まとめ
以上のように、本実施形態に係る変位計測装置１００では、第１検出部３１で検出された干渉光の信号Ｓ１に基づき回折格子対の相対変位を検出し、第２検出部３２で検出された非干渉光の信号Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂに基づき、その絶対位置を検出することができる。したがって、絶対変位を検出することができる。
【００６３】
絶対変位を検出することができる結果、変位計測装置１００の電源がOFFとされた場合でも、次回に電源がONとされた時に、変位計測装置１００は動作を開始して、絶対位置を検出し絶対変位を計測することができる。したがって、変位計測装置１００が使用されない時は、電源をOFFにしておくことで、消費電力を低減することができる。
【００６４】
本実施形態では、第２検出部３２が第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂ、つまり２つの検出領域を有し、差分算出部４３によりそれらの信号の差分が算出されて絶対位置が算出される。したがって、１つの検出領域で絶対位置が算出される場合に比べ、高精度な計測が可能となる。具体的には、例えば２つのＰＤ３２Ａ、３２Ｂの経時または経年劣化等により、これらＰＤ３２Ａ、３２Ｂの出力値が変動しても、計測値に対するその変動の影響が低減される。
【００６５】
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実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００６６】
図７Ａ〜Ｃ、図８Ａ、Ｂは、第２の実施形態に係る第２検出部を構成する第１ＰＤおよび第２ＰＤの検出領域を示す。
【００６７】
図７Ａに示す第２検出部は、第１ＰＤ８２Ａおよび第２ＰＤ８２Ｂのそれぞれの矩形状の検出領域内に、遮光領域８４を有する。つまり、検出領域は、受光領域８３と遮光領域８４とを有する。遮光領域８４は、例えば三角形状を有する。第１ＰＤ３２Ａ、第２ＰＤ３２Ｂの各遮光領域８４は、基準位置に対応する非干渉光２５ｃのビームの中心（図２参照）に対して回転対称になるように配置されている。
【００６８】
より上位概念では、これらの検出領域のうち受光領域８３の端縁は、回折格子対２０の相対移動により非干渉光ビームが移動する移動方向（図中左右方向）に直交せず、かつ、その移動方向とは異なる方向に沿って設けられた特定端縁８５を含む。本実施形態では、特定端縁８５は、この二等辺三角形の遮光領域８４の斜辺に沿う端縁であり、受光領域８３と遮光領域８４との境界線にあたる縁である。
【００６９】
この第２検出部の構成によれば、回折格子対２０の相対的な単位変位ごとの、第２検出部により得られる非干渉光の受光量の変化を大きくすることができる。その結果、絶対位置の計測の分解能を高めることができる。
【００７０】
また、この第２検出部の構成によれば、次のようなメリットもある。例えば非干渉光ビームが正方向および負方向のうち一方向に移動して、第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂの検出領域のうち、１つの検出領域のみによって受光される状態であっても、その非干渉光ビームの移動による受光量の変化を検出することができる。これにより、受光信号の検出レンジ、つまり絶対位置の計測レンジを広げることができる。
【００７１】
図７Ｂは、図７Ａに示した第２検出部の変形例に係る第２検出部の検出領域を示す。この第２検出部では、２つの遮光領域８４は回転対称ではなく、基準位置に対応する非干渉光ビームの中心を通る線に対して線対称に配置されている。この第２検出部による作用効果は、図７Ａに示したものと同様である。
【００７２】
図７Ｃは、さらに別の変形例に係る第２検出部を示す。この第２検出部では、１つの検出領域内で、ｙ方向（図１参照）に２つの遮光領域８４が配置され、２つの検出領域で合計４つの遮光領域８４が設けられる。１つの遮光領域８４の形状は、図７Ａ、Ｂに示したものと同様に、三角形である。本実施形態では、１つの検出領域内に２辺の特定端縁８５が設けられることになる。
【００７３】
本実施形態によれば、回折格子対２０の相対的な単位変位ごとの、第２検出部により得られる非干渉光の受光量の変化を、図７Ａ、Ｂに示した第２検出部のそれに比べ、さらに大きくすることができる。
【００７４】
図８Ａは、さらに別の変形例に係る第２検出部を示す。この例に係る第２検出部の第１ＰＤ１３２Ａ、第２ＰＤ１３２Ｂは、特定形状を有する受光領域８３を有する。受光領域８３は、例えば台形を有する。受光領域８３の端縁は、上記実施形態と同様に、回折格子対２０の相対移動により非干渉光２５ｃのビームが移動する移動方向に直交せず、かつ、その移動方向とは異なる方向に沿って設けられた特定端縁８５を含む。より具体的には、この受光領域８３は、図７Ｂに示した検出領域のうち遮光領域８４を除いた領域の形状を有する。このような構造を有する第２検出部によっても、図７Ｂに示した第２検出部と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
あるいは、図８Ｂに示す第２検出部のように、図７Ｃに示す検出領域のうち遮光領域８４を除いた受光領域８３を有するＰＤを備えていてもよい。
【００７６】
以上、図７、８に示した第２検出部の受光領域８３の特定端縁８５は直線状であったが、曲線状であってもよい。この場合、その曲線は、図５Ａのように曲線で得られる受光量が、直線として得られるような形状であってもよい。
【００７７】
３．第３の実施形態
図９は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成の一部を示す。この変位計測装置の回折格子対７０は、第１光学素子２１および第２光学素子７２で構成される。これら第１光学素子２１および第２光学素子７２のうちいずれか一方、ここでは後段側である第２光学素子７２が、回折格子領域７２ａと非回折格子領域７２ｂとを含む形態を有している。非回折格子領域７２ｂは、例えば平板状に形成され、溝を含まない領域である。第１光学素子２１は、例えば上記第１実施形態における第１光学素子２１と同じものでよい。
【００７８】
第１検出部３１は、上記第１実施形態と同様に、回折格子対７０から出射された干渉光２７を検出する。
【００７９】
第２検出部３２は、回折格子対７０から出射された非干渉光７５を検出する。この非干渉光７５は、第２光学素子７２に入射する、第１光学素子２１から出射された−ｎ次回折光が、非回折格子領域７２ｂを通過した光である。本実施形態では、非回折格子領域７２ｂを通過する−ｎ次回折光として、−１次回折光、または−２次回折光が用いられる。
【００８０】
第１検出部３１、第２検出部３２、図示しない演算回路、およびその他の構成は、上記第１、２の実施形態と同様の構成を採り得る。
【００８１】
以上のように、回折格子対を構成する各光学素子のうちいずれか一方に非回折格子領域を設けることによっても、非干渉光を生成することができる。これにより、上記第１、２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
４．他の種々の実施形態
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。
【００８３】
上記各実施形態では、第２検出部３２、８２、１３２が受ける非干渉光として、ｘ方向における負側に発生する−ｎ次回折光および−（ｎ＋１）次回折光が利用された。もちろん、ｘ方向における正側に発生する＋ｎ次回折光および＋（ｎ＋１）次回折光が利用されてもよい。
【００８４】
上記実施形態に係る第２検出部３２は、第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂで構成されていた。しかし、第２検出部は、物理的に分離されない１つのＰＤで構成され、当該１つのＰＤが２つの検出領域を有していてもよい。
【００８５】
上記実施形態に係る第２検出部３２、８２、１３２では、第１ＰＤおよび第２ＰＤで得られた信号の差分が算出された。しかし、差分を算出するのではなく、第２検出部として、１つのＰＤ（例えば１つの検出領域）が非干渉光を検出し、演算回路はその１つの検出領域により得られた信号に基づき、絶対位置を算出することもできる。この場合、当該１つのＰＤは、図１で示した第１ＰＤ３２Ａおよび第２ＰＤ３２Ｂのうちいずれか一方の位置に配置されればよい。また、この場合、当該１つのＰＤが、上記第２の実施形態で説明した遮光領域を有していてもよい。
【００８６】
上記実施形態に係る演算回路４０は、第２検出部３２、８２、１３２の第１ＰＤおよび第２ＰＤで得られた信号の差分を算出した。しかし、差分が算出されるのではなく、２つの信号値を用いた別のアルゴリズムによって絶対位置が算出されてもよい。
【００８７】
図１等に示した、光学要素の配置は、所期の機能を発揮することができれば、どのような配置であってもよい。例えば光の進路の途中でミラーが設けられ、その進路が折り曲げられてもよい。また、例えば、必ずしも第２検出部３２、８２、１３２の第１ＰＤおよび第２ＰＤが、ｘ方向に配列される必要はなく、例えばミラー等の光学要素が光路の途中で介在されることにより、その配列方向がｘ方向以外の方向とされてもよい。要は、第１ＰＤおよび第２ＰＤの配列は、回折格子対を構成する各光学素子の相対移動により非干渉光が移動する方向であればよい。
【００８８】
上記実施形態では、第１検出部３１で検出される干渉光２７の信号は１相のみの信号であった。しかし、変位計測装置は、例えば互いに位相が異なる複数相の干渉光を発生する回折格子対と、これらの干渉光をそれぞれ複数の検出領域を有する第１検出部とを備えていてもよい。例えば図１０に示すように、回折格子対を構成する２つの光学素子のうちいずれか一方の光学素子１２２が、分割されて構成された複数の回折格子領域を有していてもよい。
【００８９】
図１０では、ｙ方向に３つの回折格子領域１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃが設けられている。そして、それぞれの領域１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃで、測定対象の方向（ｘ方向）に沿って互いに所定距離ずつずれて形成された格子線１２３を設ける。各回折格子領域１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃにおいて、格子線１２３のピッチは同じである。上記所定距離のずれは、１ピッチより短く、例えば回折格子領域がｎ分割であれば、１ピッチの１／ｎより短く設定される。
【００９０】
回折格子領域が３分割されて構成される場合、回折格子領域１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃから３相の干渉光がそれぞれ発生するので、第１検出部はこれらの干渉光を独立して受光可能でありそれぞれの信号を発生可能な３つの検出領域を有する。この場合、第１検出部のそれら検出領域の配列方向も、光学素子の回折格子領域１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃの配列方向と同様にｙ方向とされる。
【００９１】
このように、複数相の信号が第１検出部から得られることにより、１ピッチより短い分解能で変位の計測が可能となる。また、演算回路は、複数相の信号を得ることにより、変位の方向（図では、ｘ方向の正か負かの方向）を判定することができる。もちろん、３相に限られず、２相、または４相以上であってもよい。
【００９２】
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】
【００９３】
１２…光源
２０、７０…回折格子対
２１…第１光学素子
２１ａ、２２ａ、１２３…格子線
２２…第２光学素子
２５ｃ、７５…非干渉光
２７…干渉光
３１…第１検出部
３２…第２検出部
３２Ａ、１３２Ａ…第１ＰＤ
３２Ｂ、１３２Ｂ…第２ＰＤ
４０…演算回路
４２…相対変位算出部
４３…差分算出部
４５…絶対位置算出部
７２…光学素子
７２ｂ…非回折格子領域
７２ａ…回折格子領域
８３…受光領域
８４…遮光領域
８５…特定端縁
１００…変位計測装置
１２２…光学素子
１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ…回折格子領域
【図１】
0006420630.tif 000002
【図２】
0006420630.tif 000003
【図３】
0006420630.tif 000004
【図４】
0006420630.tif 000005
【図５】
0006420630.tif 000006
【図６】
0006420630.tif 000007
【図７】
0006420630.tif 000008
【図８】
0006420630.tif 000009
【図９】
0006420630.tif 000010
【図１０】
0006420630.tif 000011