(57)【要約】【課題】被測定物の３軸回りの微小角度変化を計測可能でかつ小型化可能な３軸角度センサを提供する。【解決手段】検出対象面１に設けられた1軸矩形格子１ａに光源から平行入射光６が投光される。1軸矩形格子１ａからの回折光反射成分７Ｏ、７１、７２の光路中に4分割ＰＤ３ａ、３ｂ、３ｃを備えた。4分割ＰＤ３ａ、３ｂ、３ｃによりビームスポットの挙動を観測することで、３軸回りの微小角度変化が検出される。【選択図】図１
2007218842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象面の３軸回りの角度変化を検出するセンサであって、前記検出対象面に1次元回折格子が設けられ、該1次元回折格子に光ビームを投光するための光源と、該光源から投光された光ビームによる前記1次元回折格子からの反射光の光路中に配置された複数の光検出素子とを備えたことを特徴とする３軸角度センサ。
【請求項２】
前記1次元回折格子からの回折光反射成分の１次光を検出する光検出素子によりローリング角度変位を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３軸角度センサ。
【請求項３】
前記光検出素子の各々がＭ×Ｎ（Ｍは1以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）に分割されたフォトダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の３軸角度センサ。
【請求項４】
前記光源からの光ビームによる前記1次元回折格子からの反射光の光路中に対物レンズを設け、該対物レンズの焦点付近に前記複数の光検出素子を配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の３軸角度センサ。
【請求項５】
前記1次元回折格子または該1次元回折格子近傍に、該1次元回折格子からの回折光反射成分の１次回折光の光路を調整するための調整手段を設け、該調整手段により１次回折光の光路が０次光に対して平行または平行に近くなるように調整可能とするとともに、該調整手段と前記1次元回折格子が一体に動くようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の３軸角度センサ。
【請求項６】
ローリング角度検出感度が前記光ビームのビーム径に比例し、前記1次元回折格子の格子間隔に反比例するようにしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の３軸角度センサ。
【請求項７】
前記1次元回折格子からの回折光反射成分の０次光を検出する光検出素子によりピッチング角度変位およびヨーイング角度変位を検出するようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の３軸角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密工学分野において運動体の微小角度変位量計測等に用いる３軸角度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｙ軸とＺ軸が作る平面のＹ軸及びＺ軸回りの微小角度（ピッチング、ヨーイング）を測定する場合、レーザ干渉計やオートコリメータが用いられている。しかしどちらの場合もＸ軸回りの回転角度（ローリング）を測定する事ができない。また、ジャイロセンサと加速度計とを組み合わせ３軸角度を測定する装置もあるが、この装置は測定可能な最小角度（分解能）が数度あるいは数分程度であり、精密位置決め分野で求められている数十秒あるいは数秒といった微小角度変位量を計測する事はできない。これは超精密加工機や半導体製造装置の心臓部である超高速超精密ステージの運動誤差測定において特に大きな問題となっている。また前述のレーザ干渉計やオートコリメータは大型で高価であるという共通の問題点もある。特にオートコリメータは、大きな焦点距離を持つ対物レンズを使用することによって対象の角度変位を拡大し、これによって微小変位量を計測するため、対物レンズ焦点距離に比例してサイズも大型化する傾向がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５６３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような従来技術の欠点を解消し、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの微小角度変位量の測定が可能で、小型化に適した３軸角度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、検出対象面の３軸回りの角度変化を検出するセンサであって、前記検出対象面に1次元回折格子が設けられ、該1次元回折格子に光ビームを投光するための光源と、該光源から投光された光ビームによる前記1次元回折格子からの反射光の光路中に配置された複数の光検出素子とを備えたことを特徴とする３軸角度センサが得られる。 
【０００６】
また本発明は、前記1次元回折格子からの回折光反射成分の１次光を検出する光検出素子によりローリング角度変位を検出するようにしたことを特徴とする３軸角度センサを提供する。
【０００７】
さらに本発明は、前記光検出素子の各々がＭ×Ｎ（Ｍは1以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）に分割されたフォトダイオードであることを特徴とする３軸角度センサを提供する。
【０００８】
また本発明は、前記光源からの光ビームによる前記1次元回折格子からの反射光の光路中に対物レンズを設け、該対物レンズの焦点付近に前記複数の光検出素子を配置したことを特徴とする３軸角度センサを提供する。
【０００９】
さらに本発明は、前記1次元回折格子または該1次元回折格子近傍に、該1次元回折格子からの回折光反射成分の１次回折光の光路を調整するための調整手段を設け、該調整手段により１次回折光の光路が０次光に対して平行または平行に近くなるように調整可能とするとともに、該調整手段と前記1次元回折格子が一体に動くようにしたことを特徴とする３軸角度センサを提供する。
【００１０】
また本発明は、ローリング角度検出感度が前記光ビームのビーム径に比例し、前記1次元回折格子の格子間隔に反比例するようにしたことを特徴とする３軸角度センサを提供する。
【００１１】
さらに本発明は、前記1次元回折格子からの回折光反射成分の０次光を検出する光検出素子によりピッチング角度変位およびヨーイング角度変位を検出するようにしたことを特徴とする３軸角度センサを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、検出対象面に設けられた1次元回折格子に光源から光ビームを投光すると、1次元回折格子表面から０次光を中心として高次の回折光反射成分が生じ、しかも各回折光反射成分が直線的に並んだ状態になる。そして検出対象面がＺ軸、Ｙ軸回りに変位すると０次光を中心として直線的に並んだ回折光反射成分の反射方向がその変位に応じて変化する。また、検出対象面がＸ軸回りに変位すると０次光を中心として直線的に並んだ回折光反射成分が０次光を中心として回転する。従って、この直線的に並んだ回折光反射成分の反射方向及び回転方向とそれらの変化量を反射光の光路中に配置された複数の光検出素子により求めることにより、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの角度変位量の測定が可能である。1次元回折格子には、1軸矩形格子、1軸正弦波格子等多様なものを使用できる。
【００１３】
回折光反射成分の１次光の光路は、他の高次光に比べて回折角度の拡がりが最も小さいものである。従って、この１次光を検出する光検出素子によりローリング角度変位を検出するようにすれば、光検出素子を狭い領域に配置することが可能になり、３軸角度センサの小型化が可能である。
この場合、ピッチング及びヨーイングの角度変位は、回折光反射成分のうち０次光成分を検出する光検出素子により検出することが小型化の点で望ましい。
また、＋1次光と−1次光の変位量の差動を取る事によって角度測定の精度を向上させる事ができる。
【００１４】
光検出素子の各々は、Ｍ×Ｎ（Ｍは1以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）に分割されたフォトダイオードであることが望ましい。このような検出素子は、単受光素子（無分割の物）に比べて隣り合った受光素子同士の差動によって光スポットの位置を検出するため非常に高感度な検出が可能である。また全受光素子の出力の合計で各受光素子の出力差を除算する事により常に全体の出力値に対する受光素子間の出力変化が観察できるため、光量の変化と隙間による影響を補正する事を利用して、精密位置決め分野で求められている数十秒あるいは数秒といった微小角度変位量を検出することができる。また、これらの検出素子はCCD等に比べ応答速度が非常に速いので、応答性に優れた３軸角度センサを実現できる。 
【００１５】
1次元回折格子からの反射光の光路中に対物レンズを設けて回折光の光路領域を一定範囲に集中させ、対物レンズの焦点付近に複数の光検出素子を配置すれば、光検出素子を集中でき、３軸角度センサの小型化が可能である。しかも、組み立て時に焦点付近における光ビーム径を観察しながら光検出素子を位置決めできるので、３軸角度センサを極めて正確に組み立てることができる。
また、回折光反射成分のうち０次光成分をピッチング、ヨーイング角度変位の検出に用い、光検出素子の各々にＭ×Ｎ（Ｍは1以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）に分割されたフォトダイオードを用いると、ピッチング・ヨーイング角度検出に関する検出感度をコリメートされた光ビームのビーム径に比例し、レーザ光波長に反比例するものとすることができる。従って、これらの値を適宜選択することにより、３軸角度センサの検出感度が制御できる。
さらに、回折光反射成分のうち１次光成分を用い、０次光回りの1次光の回転を０次光検出素子に隣り合わせて配置したＭ×Ｎ（Ｍは1以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）に分割されたフォトダイオードである1次光検出素子で検出するようにすると、ローリング角度検出感度をコリメートされた光ビームのビーム径に比例し、ターゲットの格子間隔に反比例するものとすることができる。従って、これらの値を適宜選択することにより、３軸角度センサの検出感度が制御できる。
【００１６】
1次元回折格子または1次元回折格子近傍に、1次元回折格子からの回折光反射成分の１次回折光の光路を調整するための調整手段を設け、１次回折光の光路が０次光に対して平行または平行に近くなるように調整すれば、光検出素子が所定領域に集中でき、３軸角度センサの小型化が可能である。しかも、組み立てが容易になり、正確な組み立てができる。
調整手段は、反射ミラーが望ましいがこれに限らず１次回折光の光路が０次光に対して平行または平行に近くなるように光路を調整できるものであればよい。
【００１７】
ローリング角度検出感度をコリメートされた光ビームのビーム径に比例し、1次元回折格子の格子間隔に反比例するものとすると、これらの値を適宜選択することにより、３軸角度センサの検出感度が制御できる。従って、これによれば対物レンズに短い焦点距離のものが使用でき、３軸角度センサの小型化が実現可能である。
【００１８】
ピッチング及びヨーイングの角度変位を回折光反射成分のうち回折角度の拡がりが最も小さい０次光成分を検出する光検出素子により検出すれば、３軸角度センサの小型化が可能である。
また、回折光反射成分のうち０次光成分をピッチング角度変位およびヨーイング角度変位の検出に用い、光検出素子の各々にＭ×Ｎ（Ｍは1以上の自然数で、Ｎは２以上の自然数である）に分割されたフォトダイオードを用いると、ピッチング・ヨーイング角度検出に関する検出感度をコリメートされた光ビームのビーム径に比例し、レーザ光波長に反比例するものとすることができる。従って、これらの値を適宜選択することにより、３軸角度センサの検出感度が制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の３軸角度センサの第１の実施の形態の基本構成を示す要部平面図である。同図において１は検出対象面であり、検出対象面１の表面には図中Ｚ軸方向に伸びる格子パターンがＹ軸方向に多数並んだ1次元回折格子である1軸矩形格子１ａが形成されている。1軸矩形格子１ａには図示を省略したレーザ光源からコリメートされた平行入射光６がＸ軸方向から入力される構成であり、1軸矩形格子１ａからは平行入射光６により回折光反射成分の０次光７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光７１、−１次光７２および他の高次の回折光反射成分が反射される。
【００２０】
２は対物レンズであり、対物レンズ２の中心軸が検出対象面１に垂直になっていて、回折光反射成分の０次光７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光７１、−１次光７２および他の高次の回折光反射成分は対物レンズ２を通過する。３ａ、３ｂ、３ｃは０次光７Ｏ、＋１次光７１および−１次光７２の光路中に各々配置された光検出素子である４分割フォトダイオード（以下4分割PDと記述する）であり、4分割PD３ａ、4分割PD３ｂおよび4分割PD３ｃは、全て対物レンズ２の焦点面４上に位置している。５は平行入射光６の光軸中心であり、対物レンズ２の中心軸と一致している。
【００２１】
図２は、図１に係わる光路の概要を説明するための要部斜視図であり、同図において図1と同じ構成要素には同一符号を付している。同図に示すように1軸矩形格子１ａに入射光６が投射されると回折光反射成分の０次光７Ｏ、＋１次光７１、−１次光７２は対物レンズ２を通過し、4分割PD３ａ、4分割PD３ｂおよび4分割PD３ｃの検出面にスポットを形成する。
図３は、4分割PD３ａ、4分割PD３ｂおよび4分割PD３ｃの検出面におけるスポットの状態を説明するための説明図であり、（Ａ）はピッチング（Ｐｉｔｃｈｉｎｇ）の説明図、（Ｂ）はヨーイング（Ｙａｗｉｎｇ）の説明図、（Ｃ）はローリング（Ｒｏｌｌｉｎｇ）の説明図である。同図において３ｂｓ、３ａｓ、３ｃｓは、各々４分割PD３ｂ、４分割PD３ａおよび４分割PD３ｃの検出面に形成されるスポットを示す。４分割PD３ｂ、４分割PD３ａおよび４分割PD３ｃは、いずれも同一特性を有する素子３ｂ１〜３ｂ４、素子３ａ１〜３ａ４、素子３ｃ１〜３ｃ４を有し、２×２と４分割されたフォトダイオードとなっている。
【００２２】
次に、このような構成の３軸角度センサに関し、その角度検出原理をこれらの図並びに図４ないし図６を用いて説明する。
図１において、検出対象面１がピッチング方向(Ｙ軸回り)に回転したとすると、回折光反射成分のうち０次光成分７Ｏ、＋１次光７１、−１次光７２は、入射光６の光軸５に対して傾き、4分割PD３ｂ、4分割PD３ａ、4分割PD３ｃの検出面におけるスポット３ｂｓ、３ａｓ、３ｃｓは、図３（Ａ）に示すようにＺ軸方向に移動する。ここで図４に示すように、入射光６の光軸中心５に対する０次光成分７Ｏの傾き角度がΔθＹであり、Ｚ軸方向に移動する距離がｄＺであったとすれば、これらの間には式（１）のような関係が成立する。ここで、対物レンズ２の焦点距離をfとする。
【００２３】
【数１】
2007218842.tif 000003
式(１)から、焦点面４上の０次光成分７Ｏのスポット３ａｓの移動距離ｄＺを検出することにより、検出対象面１の角度の変化ΔθＹを求めることができる。従って、焦点面４上にポジションディテクタを配置し、スポット３ａｓの焦点面４上における移動距離を求めることとする。今回の３軸角度センサには、ポジションディテクタとして応答速度が速く高感度にスポット位置を検出することの出来る4分割PD4分割PD３ａ、4分割PD３ｂ、4分割PD３ｃを用いた。図５は4分割PD３ａ上におけるスポット３ａｓの移動後の状態を幾何学的に表している。直径Φのコリメートされたガウンシアン・ビームである０次光７Ｏが対物レンズ２によって焦点面４上に集光した場合のスポット３ａｓの半径ｗ０は以下の式(２)のようになる。尚、λは入射光６の波長である。
【００２４】
【数２】
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また、4分割PD３ａは全素子の出力の合計で各素子３ａ１〜３ａ４の出力差を除算する事により光量の変化と隙間による影響を補正している。ここで4分割PD３aの各素子３ａ１〜３ａ４上に跨るスポット３ａｓの相対位置変化について考察する。尚、4分割PD３aの各素子３ａ１〜３ａ４上における感度、強度分布が共に一定、4分割PD３ａの受光素子間に存在するギャップ（不感帯）も存在しない物とする。 また、4分割PD３aの出力は各素子３ａ１〜３ａ４上に入射しているスポット３ａｓの面積によって決まるものとする。ピッチング方向の角度変化を考えると、Ｙ軸回りに角度ΔθＹ傾いた０次光成分７Ｏのビームが入射すると、式（１）より焦点面４上で半径ｗ０のスポット３ａｓがｄＺだけ移動する。その際のスポット３ａｓの変位量は非常に微小であるため、相対的に変化する面積は近似的に長方形で表す事ができ、スポット３ａｓの半径とスポット３ａｓの変位量を用いて２ｗ0ｄＺで表す事ができる。また、スポット３ａｓの面積はπｗ20と表す事ができるので、これらを4分割PD３aの出力換算式に当てはめると、相対位置出力ＲPは次式（３）のように表す事ができる。
【００２５】
【数３】
2007218842.tif 000005
ピッチング方向の角度検出感度ＳＰは、角度センサの出力と角度変位の傾きの比、即ち
ＳＰ＝ＲＰ/ΔθＹで表されるので、式(１)〜(３)より次式（４）のように表される。
【００２６】
【数４】
2007218842.tif 000006
式(４)から、ピッチング方向の角度検出感度ＳＰは、０次光成分７Ｏのビーム径Φと波長λに依存するといえる。
【００２７】
この式はヨーイング方向(Ｚ軸回り）の角度検出感度ＳＹに対しても同様に成り立つ一般式である。ヨーイングの場合、4分割PD３ｂ、4分割PD３ａ、4分割PD３ｃの検出面におけるスポット３ｂｓ、３ａｓ、３ｃｓは、図３（Ｂ）に示すようにＹ軸方向に移動する。従って、ヨーイング方向の角度検出感度ＳＹはピッチング方向の角度検出感度ＳＰの場合と全く同様に求められる。
【００２８】
また、ローリング方向(Ｘ軸回り)の検出感度ＳＲに対しても同様に考えることができる。
この場合、4分割PD３ｂ、4分割PD３ａ、4分割PD３ｃの検出面におけるスポット３ｂｓ、３ａｓ、３ｃｓは、図３（Ｃ）に示すように、スポット３ａｓがＸ軸に中心位置を固定して回転し、スポット３bｓ、３ｃｓがＸ軸を中心に回転する。
【００２９】
1軸矩形格子１ａの回折格子ピッチをＰとし、焦点面４上における０次光成分７Ｏと＋１次光７１の距離をl1とする。光源からの入射光６が1軸矩形格子１ａにおいて反射する際に発生する＋１次光７１および−１次光７２の回折角の内、説明を簡単にするため、図６に示す+1次光７１の回折角θ＋１について考える。入射光の波長λと1軸矩形回折格子1aにおけるピッチ間隔Ｐとを用いると、θ＋１はθ＋１＝λ／Ｐと表される。また、θ１の回折角をもつ光が対物レンズ２に入射する場合にはオートコリメーション法から、対物レンズ２の焦点距離fと距離l1とを用いてθ＋１＝l1／ｆと表すことができる。これらの式から距離l1について解く事によって次式（５）のように導かれる。
【００３０】
【数５】
2007218842.tif 000007
また、ローリングが生じた場合、図６に示すように4分割PD３ｂの検出面におけるスポット３ｂｓのＺ軸方向移動距離をΔｚとおけば、ｌ1を用いてローリング角度θRはθＲ＝Δｚ／ｌ1と表せる。これらの式、焦点面上におけるスポットの大きさが係わる式（３）および最小移動距離をΔｚとしたときのローリング方向の測定におけるダイナミックレンジＫ＝ｗｏ／Δｚを用いて、ローリング方向の分解能θＲは式（６）のように表す事ができる。
【００３１】
【数６】
2007218842.tif 000008
以上から、ローリング方向の感度ＳＲは式（６）を用いて次式（７）ように表す事ができる。
【００３２】
【数７】
2007218842.tif 000009
【００３３】
式（４）と式（７）には対物レンズ２の焦点距離fが含まれておらず、この原理を用いた角度センサの角度検出感度は焦点距離には依存しないものとなっている。
このため、対物レンズ２に小さな焦点距離のものを用いることにより、３軸角度センサの小型化を図る事が可能となる。
【００３４】
次に、本発明の３軸角度センサの第２の実施の形態について説明する。図７は、本発明の３軸角度センサの第２の実施の形態の構成を示す要部斜視図である。同図において１１ａは検出対象面の表面に形成された1軸矩形格子であり、1軸矩形格子１１ａは図中Ｚ軸方向に伸びる格子パターンがＹ軸方向に多数並んだ1次元回折格子となっている。1軸矩形格子１１ａにはレーザ光源１６からコリメートされた平行入射光１６ｉが、ビームスプリッタ８および対物レンズ１２を介してX軸方向から入力される構成となっている。平行入射光１６ｉが1軸矩形格子１１ａに入射すると、1軸矩形格子１１ａからは回折光反射成分の０次光１７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光１７１、−１次光１７２および他の高次の回折光反射成分が反射される。尚、レーザ光源１６から出力された光は、１/４波長板付ＰＢＳ９を通り、次いでコリメートレンズ１０に伝播される。この部分はレーザアイソレート部であり、1軸矩形格子１１ａからの戻り光がレーザ光源１６に入射しないようになっており、レーザダイオードの安定性に寄与している。
【００３５】
回折光反射成分の０次光１７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光１７１、−１次光１７２および他の高次の回折光反射成分は、対物レンズ１２を通過した後、ビームスプリッタ８の境界において反射し、４分割PD１３ａ、４分割PD１３ｂおよび４分割PD１３ｃに入射する。ここで、４分割PD１３ａ、４分割PD１３ｂおよび４分割PD１３ｃの検出面は、全て対物レンズ1２の焦点面１４上に位置し、回折光反射成分の０次光１７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光１７１、−１次光１７２がこの検出面にてスポットを形成する。
尚、レーザ光源１６、１/４波長板付ＰＢＳ９、コリメートレンズ１０およびビームスプリッタ８、対物レンズ１２、４分割PD１３ａ、４分割PD１３ｂ、４分割PD１３ｃは、各々冶具を介してステージ上に固定されているが、その説明は省略する。
【００３６】
ここで1軸矩形格子１１ａがＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りに微小角度変位すると、回折光反射成分の０次光１７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光１７１、−１次光１７２の反射方向が変位し、４分割PD１３ａ、４分割PD１３ｂおよび４分割PD１３ｃの検出面に形成された０次光１７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光１７１、−１次光１７２のスポット位置が移動する。従って、本発明の３軸角度センサの第１の実施の形態の場合と同様に、回折光反射成分の０次光１７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光１７１、−１次光１７２のスポット位置変位を計測することによって、ヨーイング、ピッチング、ローリング方向の角度を各々測定することができる。
【００３７】
次に、本発明の３軸角度センサの第３の実施の形態について説明する。図８は、本発明の３軸角度センサの第３の実施の形態の構成を示す要部平面図である。同図において３１ａは検出対象固定治具３１１に配置された１軸矩形格子であり、1軸矩形格子３１ａには図示を省略したレーザ光源からコリメートされた平行入射光３６ｉがX軸方向から入力される構成である。1軸矩形格子３１ａからは平行入射光３６ｉにより回折光反射成分の０次光３７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光３７１、−１次光３７２および他の高次の回折光反射成分が反射される検出対象固定治具３１１の両端には検出対象固定治具３１１に対して、図中ＸＺ面を中心にＺ軸に沿って互いに傾斜可能な調整板３１１２ａ、３１２ｂが取り付けられている。調整板３１２a、３１２ｂの1軸矩形格子３１ａからの回折光反射成分の＋１次光３７１、−１次光３７２が入射する位置には反射ミラー３１３a、３１３ｂが設けられている。
【００３８】
反射ミラー  ３１３aと反射ミラー３１３ｂは、入射した回折光反射成分の＋１次光３７１と−１次光３７２を反射させるものであり、調整板３１２a、３１２ｂの傾きを調整することによって調整板３１２a、３１２bと一体に傾き、１次光３７１と−１次光３７２が０次光３７Ｏに平行になるように調整可能となっている。また調整板３１２a、３１２ｂはその傾きを調整した後、図示を省略したロック機構により検出対象固定治具３１１に固定され、検出対象固定治具３１１と一体に動く構成となっている。
また、回折光反射成分の０次光３７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光３７１、−１次光３７２の光路中には、対物レンズ３２a、３２ｂ、３２ｃが各々配置され、対物レンズ３２a、３２ｂ、３３ｃを通過した回折光反射成分の０次光３７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光３７１、−１次光３７２が4分割PD３３a、３３ｂ、３３ｃに各々スポットを形成すものである。
【００３９】
このような構成の３軸角度センサの＋１次光３７１、−１次光３７２を用いたローリング角度の検出においては、超精密ステージの移動に対して回折角度による拡がりを抑えることができ、調整板３１１２a、３１２ｂの角度を調整してロングレンジの計測に対応させる事が可能である。
【００４０】
次に、本発明の３軸角度センサの第４の実施の形態について説明する。図９は、本発明の３軸角度センサの第４の実施の形態の構成を示す要部平面図である。同図において４１ａは、検出対象固定治具４１１に配置された１軸矩形格子であり、1軸矩形格子４１ａには図示を省略したレーザ光源からコリメートされた平行入射光４６ｉがX軸方向入力される構成である。1軸矩形格子４１ａからは平行入射光４６ｉにより回折光反射成分の０次光４７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光４７１、−１次光４７２および他の高次の回折光反射成分が反射される。検出対象固定治具４１１は、図９のように対物レンズ４２ｄと1軸矩形格子４１ａとの距離をその焦点距離ｆに一致させて取り付けることができる調整機構を有するものである。平行入射光４６ｉが対物レンズ４２ｄに入射すると焦点面上に配置した１軸矩形格子面上４１ａにおいて集光しまた反射する。ここで前記回折反射光成分０次光４７Ｏ、回折光反射成分の＋１次光４７１、−１次光４７２は前記対物レンズ４２ｄによって再びコリメートされる。
【００４１】
これによって回折反射光を平行にする事ができ、第３の実施の形態の場合と同様に、回折角度による拡がりを抑えてロングレンジの計測に対応させる事ができる。尚、回折光反射成分の０次光４７０、回折光反射成分の＋１次光４７１、−１次光４７２の光路中には、対物レンズ４２a、４２ｂ、４２ｃが各々配置され、対物レンズ４２a、４２ｂ、４３ｃを通過した回折光反射成分の０次光４７０、回折光反射成分の＋１次光４７１、−１次光４７２が4分割PD４３a、４３ｂ、４３ｃに各々スポットを形成すものである。
【実施例】
【００４２】
図１０に第１の実施の形態に係わる実施例のローリング検出グラフを示す。この際に使用したレーザビームの径Φはおよそ９mmであり、またその波長λは635ｎmである。また、検出対象として用いた1軸矩形格子１aのピッチ間隔Ｐは4μmであり、対物レンズ２の焦点距離ｆは40mmとなっている。検出対象面の1軸矩形格子１aがローリング方向に傾斜するとそれに応じてセンサ出力を得ることができる。図１０はローリング方向に回転する事のできる手動ステージに１軸矩形格子１aを固定し、ステージを微小にローリング方向に動かしながら周波数50Hz間隔でサンプリングしたもののグラフである。グラフ横軸が検出角度、縦軸が３軸角度センサの相対出力を表している。このグラフから、検出角度とセンサの相対出力の関係が直線５０で近似でき、センサの相対出力に対する角度を同定する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の３軸角度センサによれば，３軸回りの角度変化を一括で測定できるために精密ステージの運動により生じる軸回りの微小な角度変化を検出でき、超精密加工機や半導体製造装置の加工精度向上に大きく貢献できる。
また、３軸角度センサの小型化が可能となるので、各種装置に組み込み、それらのサイズを大きくすることなく機能向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の３軸角度センサの第１の実施の形態の基本構成を示す要部平面図である。
【図２】図1に係わる光路の概要を説明するための要部斜視図である。
【図３】図1に係わる4分割PDの各検出面におけるスポットの状態を説明するための説明図であり、（Ａ）はピッチングの説明図、（Ｂ）はヨーイングの説明図、（Ｃ）はローリングの説明図である。
【図４】図1に係わるピッチングの角度検出原理を説明するための説明図である。
【図５】図1に係わるはピッチングを説明するためのスポット移動の説明図である。
【図６】図1に係わるはローリングを説明するためのスポット移動の説明図である。
【図７】本発明の３軸角度センサの第２の実施の形態の基本構成を示す要部斜視図である。
【図８】本発明の３軸角度センサの第３の実施の形態の基本構成を示す要部平面図である。
【図９】本発明の３軸角度センサの第４の実施の形態の基本構成を示す要部平面図である。
【図１０】第１の実施の形態に係わる実施例のグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１      検出対象面
１ａ、１１ａ、３１ａ、４１ａ      1軸矩形格子
２、１２、３２a、３２b、３２c      対物レンズ（Objective Lens）
４２a、４２b、４２c、４２ｄ      対物レンズ（Objective Lens）
３ａ、３ｂ、３ｃ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ      4分割ＰＤ
３３a、３３b、３３c、４３a、４３b、４３c      4分割ＰＤ
４      焦点面
５      光軸中心
６、１６ｉ、３６i、４６ｉ      平行入射光
７Ｏ、１７Ｏ、３７Ｏ、４７Ｏ      回折光反射成分の０次光
７１、１７１、３７１、４７1      回折光反射成分の＋１次光
７２、１７２、３７２、４７2      回折光反射成分の−１次光
８      ビームスプリッタ
９      １/４波長板付ＰＢＳ
１０      コリメートレンズ
１６      レーザ光源
３１１、４１１      検出対象固定治具
３１２a、３１２ｂ      調整板
３１３a、３１３ｂ      反射ミラー
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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