(57)【要約】【課題】計測誤差の発生を抑えることができる変位計測装置、この変位計測装置に用いられる変位計測信号処理装置、および変位計測信号処理方法を提供すること。【解決手段】変位計測装置は、光源と、第１回折格子と、第２回折格子と、検出部５０と、演算部４０とを具備する。第２回折格子は、光源からの光線の進路に沿って第１回折格子に対向して配置され、第１回折格子と相対移動可能に設けられている。検出部１５０は、第２回折格子から出射された光を受光する複数の受光部５１を有する。演算部４０は、複数の受光部５１からそれぞれ得られる複数の信号値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択する選択部４１と、選択した値に基づき、上記第１回折格子および第２回折格子の相対移動による変位量を演算する変位量演算部４３とを含む。【選択図】図２
2017009335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記光源からの光線の進路に沿って前記第１回折格子に対向して配置され、前記第１回折格子と相対移動可能に設けられた第２回折格子と、
前記第２回折格子から出射された光を受光する複数の受光部を有する検出部と、
前記複数の受光部からそれぞれ得られる複数の信号値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択し、選択した値に基づき、前記相対移動による変位量を演算する演算部と
を具備する変位計測装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記最大値を選択する
請求項１に記載の変位計測装置。
【請求項３】
前記複数の受光部は等面積を有する
請求項１または２に記載の変位計測装置。
【請求項４】
前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか一方の格子構造は、前記相対移動により異なる位相を持つ２以上の光を発生するように構成されており、
前記検出部は、前記複数の受光部が一組の受光部とされた複数組の受光部を有する
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。
【請求項５】
前記複数の受光部の、前記相対移動方向での全体の幅は、前記相対移動方向において、前記第２回折格子ら出射される１つの光の光束幅の1/3以上で、かつ、当該１つの光の光束幅より小さい値に設定される
請求項４に記載の変位計測装置。
【請求項６】
前記複数の受光部の、前記相対移動方向に直交する方向での全体の幅は、前記相対移動方向に直交する方向において、前記第２回折格子から出射される１つの光の光束幅の1/5以上で、かつ、当該１つの光の光束幅より小さい値に設定される
請求項４または５に記載の変位計測装置。
【請求項７】
前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか一方の格子構造は、所定の格子線ピッチを持つ２以上の格子パターン領域を有し、これら格子パターン領域の格子線配置が、前記相対移動方向で所定距離それぞれずれるように構成されている
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の変位計測装置。
【請求項８】
前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対移動方向は、前記第１回折格子および前記第２回折格子が前記光源からの光線の進路に沿って離接する方向に直交する方向である
請求項１から７のうちいずれか１項に記載の変位計測装置。
【請求項９】
前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対移動方向は、前記第１回折格子および前記第２回折格子が前記光源からの光線の進路に沿って離接する方向である
請求項１から７のうちいずれか１項に記載の変位計測装置。
【請求項１０】
ｎを１以上の自然数とした場合、前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか１つの回折格子は、
前記第１回折格子による＋ｎ次回折光が第２回折格子に入射して前記第２回折格子から発生する−ｎ次回折光と、前記第１回折格子による−ｎ次回折光が前記第２回折格子に入射して前記第２回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光、または、
前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか一方から発生した＋ｎ次回折光または−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を出射する
請求項１から７のうちいずれか１項に記載の変位計測装置。
【請求項１１】
光源と、
前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記光源からの光線の進路に沿って前記第１回折格子に対向して配置され、前記第１回折格子と相対移動可能に設けられ、前記相対移動により異なる位相を持つ２以上の光を出射する第２回折格子と、
前記第２回折格子から出射された光をそれぞれ受光する、前記複数の受光部を一組の受光部とされた複数組の受光部を有する検出部と
を具備する変位計測装置。
【請求項１２】
光源と、前記光源からの光が入射する第１回折格子と、前記光源からの光線の進路に沿って前記第１回折格子に対向して配置され、前記第１回折格子と相対移動可能に設けられた第２回折格子と、検出部とを備える変位計測装置の信号処理装置であって、
前記検出部における、前記第２回折格子から出射された光を受光する複数の受光部からそれぞれ得られる複数の信号値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択し、選択した値に基づき、前記相対移動による変位量を演算する演算部
を具備する変位計測信号処理装置。
【請求項１３】
光源と、前記光源からの光が入射する第１回折格子と、前記光源からの光線の進路に沿って前記第１回折格子に対向して配置され、前記第１回折格子と相対移動可能に設けられた第２回折格子と、検出部とを備える変位計測装置による信号処理方法であって、
前記検出部における、前記第２回折格子から出射された光を受光する複数の受光部からそれぞれ得られる複数の信号値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択し、
選択した値に基づき、前記相対移動による変位量を演算する
変位計測信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉光を利用する変位計測装置、変位計測信号処理装置、および変位計測信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、対向する２つの回折格子の相対移動によって生成される回折光同士の干渉光の検出することにより、当該２つの回折格子の相対移動の変位を計測する変位計測装置が開示されている。具体的には、干渉光は、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この第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−ｎ次回折光が第２の回折格子に入射してこの第２の回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉により生成される（例えば、特許文献１の明細書段落［００２８］〜［００３１］参照）。
【０００３】
特許文献２には、例えば傾斜面や曲面を有する被測定物の表面を測定可能な光学式変位測定器が開示されている。この変位測定器では、次のような構造を有する光検出部が用いられる。この光検出部は、中心に配置された円形状の１個の受光素子と、この１個の受光素子の外周に沿って環状に配置された扇形状の複数（１６個）の受光素子とを備える。焦点位置検出回路は、光検出部で得られた信号を受けて、フォーカシングエラー信号を演算する。具体的には、この焦点位置検出回路は、扇形状の各受光素子のうち隣接する３つの受光素子による信号の和を、全周にわたってそれぞれ算出し、算出されたそれぞれの和のうちの最大値を選択する。焦点位置検出回路は、この最大値に基づき所定の演算を行うことにより、疑似ピンホール法によるピンホール信号として得ることができ、そのピンホール信号に基づき、合焦点制御のためのフォーカシングエラー信号を生成することができる（例えば、特許文献１の明細書段落［００２７］、［００２９］参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2015-021890号公報
【特許文献２】特開2009-300264号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、光学素子（例えば回折格子や光検出器など）を利用した変位計測装置では、その装置の製造時におけるそれら光学素子の組み付け誤差により、光軸ずれなどが生じる場合があり、これにより、本来得られるべき信号波形から、実際に光検出器で得られる信号波形に乱れが生じる。これにより計測誤差が生じる。あるいは、例えば回折格子による回折光の干渉光を利用する装置では、高次回折光の干渉光が発生することにより、これによるノイズが検出信号に加わるため、この場合も計測誤差が生じるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、計測誤差の発生を抑えることができる変位計測装置、この変位計測装置に用いられる変位計測信号処理装置、および変位計測信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、第１回折格子と、第２回折格子と、検出部と、演算部とを具備する。
前記第１回折格子には、前記光源からの光が入射する。
前記第２回折格子は、前記光源からの光線の進路に沿って前記第１回折格子に対向して配置され、前記第１回折格子と相対移動可能に設けられている。
前記検出部は、前記第２回折格子から出射された光を受光する複数の受光部を有する。
前記演算部は、前記複数の受光部からそれぞれ得られる複数の信号値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択し、選択した値に基づき、前記相対移動による変位量を演算する。
【０００８】
検出部は、複数の受光部を有し、その複数の受光部で１つの光を受光するように構成されている。したがって、演算部は、最小値以外の値を選択することにより、乱れやノイズが多い信号値を変位量の演算から除外できるので、計測誤差の発生を抑えることができる。
【０００９】
前記演算部は、前記最大値を選択してもよい。
すなわち、演算部は、乱れやノイズが最も少ない信号を選択するので、計測誤差の発生を抑えることができる。
【００１０】
前記複数の受光部は等面積を有していてもよい。
これにより、演算部は、最適値（複数の受光部で得られる信号のうち、最小値以外の１つ）を選択するための演算効率を上げることができる。
【００１１】
前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか一方の格子構造は、前記相対移動により異なる位相を持つ２以上の光を発生するように構成されていてもよい。また、前記検出部は、前記複数の受光部が一組の受光部とされた複数組の受光部を有していてもよい。
【００１２】
前記複数の受光部の、前記相対移動方向での全体の幅は、前記相対移動方向において、前記第２回折格子ら出射される１つの光の光束幅の1/3以上で、かつ、当該１つの光の光束幅より小さい値に設定されていてもよい。
【００１３】
前記複数の受光部の、前記相対移動方向に直交する方向での全体の幅は、前記相対移動方向に直交する方向において、前記第２回折格子から出射される１つの光の光束幅の1/5以上で、かつ、当該１つの光の光束幅より小さい値に設定されていてもよい。
【００１４】
これらの発明において、「光束幅」は、例えば第１回折格子の前段、または第２回折格子の後段に配置された光学素子を透過する結果発生する光の光束（またはそれらのうちの１つの光束）の幅を最大としている。
【００１５】
前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか一方の格子構造は、所定の格子線ピッチを持つ２以上の格子パターン領域を有し、これら格子パターン領域の格子線配置が、前記相対移動方向で所定距離それぞれずれるように構成されていてもよい。
【００１６】
例えば、前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対移動方向は、前記第１回折格子および前記第２回折格子が前記光源からの光線の進路に沿って離接する方向に直交する方向であってもよい。
【００１７】
あるいは、前記第１回折格子および前記第２回折格子の相対移動方向は、前記第１回折格子および前記第２回折格子が前記光源からの光線の進路に沿って離接する方向であってもよい。
【００１８】
ｎを１以上の自然数とした場合、前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか１つの回折格子は、
前記回折格子対のうち第１回折格子による＋ｎ次回折光が第２回折格子に入射して前記第２回折格子から発生する−ｎ次回折光と、前記第１回折格子による−ｎ次回折光が前記第２回折格子に入射して前記第２回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を出射するように構成されていてもよい。または、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子は、前記第１回折格子および前記第２回折格子のうちいずれか１つの回折格子から発生した＋ｎ次回折光または−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を出射するように構成されていてもよい。
【００１９】
本発明の他の形態に係る変位計測装置は、光源と、第１回折格子と、第２回折格子と、検出部とを具備する。
前記第１回折格子には、前記光源からの光が入射する。
前記第２回折格子は、前記光源からの光線の進路に沿って前記第１回折格子に対向して配置され、前記第１回折格子と相対移動可能に設けられ、前記相対移動により異なる位相を持つ２以上の光を出射する。
前記検出部は、前記第２回折格子から出射された光をそれぞれ受光する、前記複数の受光部を一組の受光部とされた複数組の受光部を有する。
【００２０】
本発明の一形態に係る変位計測信号処理装置は、上記した変位計測装置の信号処理装置である。前記変位計測信号処理装置は、上記した演算部を備える。
【００２１】
本発明の一形態に係る変位計測信号処理方法は、上記した信号処理装置による信号処理方法である。前記変位計測信号処理方法は、検出部の複数の受光部からそれぞれ得られる複数の信号値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択することを含む。
選択した値に基づき、前記相対移動による変位量が演算される。
【発明の効果】
【００２２】
以上、本発明によれば、計測誤差の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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示す図である。
【図２】図２は、検出部および演算部の構成を示す。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係る回折格子対のうち、いずれか一方の格子構造を模式的に示す。
【図４】図４Ａは、本実施形態に係る検出部の複数組の受光部を示す。図４Ｂは、回折格子対から出射した、ある特定の位相状態における３相の実際の干渉光を示す写真と、図４Ａに示した複数組の受光部とを重ねて示す。
【図５】図５Ａは、検出部により得られる理想的な３相信号を示す。図５Ｂは、実際に受光部ごとに得られるの３相信号を示す。
【図６】図６は、本実施系形態に係る演算部の構成を示すブロック図である。
【図７】図７Ａ、Ｂは、比較例に係る検出部の、３相の干渉光を検出するための受光部を示す。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る検出部、比較例１に係る検出部、および比較例２に係る検出部（図７Ｂ）の各信号に基づく変動量を比較して示したデータである。
【図９】図９Ａ〜Ｄは、検出部において、一組の受光部の種々の変形例をそれぞれ示す。
【００２４】
１．第１の実施形態
【００２５】
１）変位計測装置の光学系の構成
【００２６】
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示す図である。
【００２７】
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、検出部５０、変位計測信号処理装置として機能する演算部４０を備える。
【００２８】
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。検出部５０はフォトダイオード等により構成される。
【００２９】
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。
【００３０】
回折格子対２０は、例えば透過型の、第１回折格子２１および第２回折格子２２で構成される。第１回折格子２１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。第１回折格子２１および第２回折格子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。
【００３１】
第１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。
【００３２】
第２回折格子２２は、第１回折格子２１から出射して第２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。
【００３３】
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。
【００３４】
−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。検出部５０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を検出する検出部５０は、回折格子対２０の光軸上に配置される。
【００３５】
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も含むが、この０次光３０は別の手段によって除去されるか、または、その光量が低減されるようになっている。
【００３６】
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。
【００３７】
＋ｎ次回折光２３ａおよび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および＋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および３０ｂの両方の０次光を、以降では０次光３０という。
【００３８】
第１回折格子２１および第２回折格子２２は、実質的に同じ形状および同じサイズを有する。例えば、回折格子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回折格子２１の格子線２１ａのピッチＰと、第２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および２２ａの例として、ピッチＰが1〜10μm（例えば4.8μm）であり、溝深さが200〜800μm（例えば473μm）である。もちろん、これらの値に限られない。
【００３９】
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、回折格子対の相対的な変位（変位量）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。
【００４０】
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。
【００４１】
光源１２、コリメータレンズ１４、および第１回折格子２１が、図示しないホルダにより一体的に保持され、第２回折格子２２および検出部５０は、別の図示しないホルダにより一体的に保持される。それらホルダ同士が、ｘ方向に移動可能になっている。
【００４２】
演算部４０は、検出部５０で得られる信号に基づいて、後述する演算処理を行うことで、変位Δｘを算出する。演算部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。演算部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、演算部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。
【００４３】
２）変位計測装置の検出部および演算部の構成
【００４４】
図２は、検出部５０および演算部４０の構成を示す。検出部５０は、複数の受光部５１を含み、例えば３つの受光部５１で構成される。検出部５０を囲む破線で示す円Ｃは、入射される光束（例えば検出対象となる干渉光の光束）の断面外形を示す。この光束の断面外形は、例えばコリメータレンズ１４（あるいは、図示しないアパーチャ等）によって整形されたビーム形状を示す。
【００４５】
受光部５１は、それぞれ、同じ形状、かつ等面積を有する。受光部５１の形状は例えば矩形である。受光部５１は、例えば回折格子対の相対移動方向であるｘ方向に並んで配置されている。受光部５１は、当該相対移動方向に直交する方向であるｙ方向に並んで配置されていてもよい。受光部５１の面積、配置および形状は、各受光部５１ができるだけ均一な光量を受けることができるように、適宜設計されている。
【００４６】
演算部４０は、選択部４１および変位量演算部４３を有する。選択部４１は、これら受光部５１で得られる光量に応じた電圧の信号値（複数の信号値）のうち、最小値より大きく、かつ、最大値以下の値のうちいずれか１つを選択するように構成される。変位量演算部４３は、選択した値に基づき、回折格子対の相対移動による変位量Δｘを演算するように構成される。選択部４１は、好ましくは、最大値を選択する。
【００４７】
３）変位計測装置の動作
【００４８】
光源１２からの光が回折格子対２０に入射し、上述したように、干渉光２７がこの回折格子対２０から出射する。その干渉光２７は、検出部５０上で干渉縞を生成する。回折格子対のｘ方向での相対移動により、その干渉縞の明暗の状態が周期的に変化する。検出部５０は、その干渉縞の明暗状態の変化に応じた光量の変化を検出することで、演算部４０はこれに基づき、変位量Δｘを計測する。
【００４９】
本実施形態に係る選択部４１は、上記のように、第１の回折格子２１および第２の回折格子対２２の相対移動により刻々と変化する、３つの受光部５１で得られた３つの信号のうち、最大値を選択する。そして、変位量演算部４３は、その最大値に基づき、変位量を計測する。
【００５０】
最大値を選択した後の変位量演算部４３による変位量Δｘの演算方法としては、特許文献１に開示された方法でよい。例えば、干渉縞の明暗状態の変化による光量の変化は、周期的な信号、例えば正弦波信号として検出部５０で検出される。例えば、変位量演算部４３は、その正弦波信号の波数をカウントすることにより、そのカウント値を変位量に変換して出力することができる。
【００５１】
あるいは、変位量演算部４３は、位相分割法により変位量を演算してもよい。つまり、変位量演算部４３は、検出部５０で得られた信号に基づき、その信号周期より十分に短い周期のパルスを生成し、そのパルス数をカウントすることにより、変位量を計測することができる。
【００５２】
変位量演算部４３は、上記方法に限られず、その他の公知の演算方法により、変位量を計測することができる。
【００５３】
次に、各受光部５１で得られる信号のうち最小値以外、ここでは例えば最大値を選択する理由について説明する。なお、最大値を選択するための回路は、複数のコンパレータを組み合わせたアナログ回路で構成されていてもよいし、上記したＣＰＵやＤＳＰ等のデジタル回路が当該最大値の選択処理を実行してもよい。
【００５４】
各受光部５１で得られるそれぞれの信号は、理想的には、同じ位相および同じ振幅の信号であり、得られる信号（の振幅）が最大値に近いほど、理想的な信号となる。理想的な信号が得られるのであれば、検出部５０は、受光部５１として複数に分割されなくても１つでよい。
【００５５】
しかしながら、変位計測装置１００の製造時における、光源１２、回折格子対２０、および／または検出部５０等の組み付け誤差により、あるいは、高次回折光の干渉光の発生により、信号の乱れやノイズが発生する場合がある。この場合、各受光部５１からの信号の位相や振幅に相対的なずれが生じており、理想的な信号が得られない。あるいは、変位計測装置１００の経時（経年）劣化により、計測誤差が生じる場合も考えられる。
【００５６】
そこで、本実施形態に係る演算部４０は、例えば各受光部５１で得られた信号のうち、最大値を選択することにより、結果的に、理想の信号に最も近い信号値をサンプリングすることができる。これにより、計測誤差を抑えることができる。
【００５７】
２．第２の実施形態
【００５８】
２．１）変位計測装置
【００５９】
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が含む要素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。
【００６０】
本実施形態に係る変位計測装置において、上記第１の実施形態と異なる点は、主に、回折格子対および検出部のそれぞれの構成である。図３は、その回折格子対のうち、光源側の第１の回折格子および検出部側の第２の回折格子対のうちいずれか一方の回折格子７０の格子構造を模式的に示す図である。
【００６１】
この回折格子７０の格子構造は、回折格子対の相対移動により、異なる位相を持つ２以上の干渉光を発生するように構成されている。具体的には、図３に示す格子構造は、３相の干渉光を発生するように構成された３つの格子パターン領域７２Ｕ、７２Ｖ、７２Ｗを有する。
【００６２】
回折格子対の相対移動方向であるｘ方向に配列された格子線（溝）７３の配置が、その相対移動方向で所定距離分、それぞれずれるように構成されている。図３に示す例に係る格子線配置は、その格子線ピッチＰの1/3ピッチ分シフトするように、すなわち120°シフトするように構成されている。これにより、検出部側の回折格子（以下、説明の便宜上第２回折格子という。）は、120°ずつずれた位相を持つ干渉光を発生する。格子線の幅（溝の幅）やピッチＰは、各格子パターン領域７２Ｕ、７２Ｖ、７２Ｗで実質的に同じとされている。
【００６３】
図４Ａは、本実施形態に係る検出部１５０の複数（例えば３つ）の一組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗを示す。図４Ｂは、この第２回折格子から出射した、ある特定の位相状態における３相の実際の干渉光を示す写真と、図４Ａに示した一組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗと重ねて示す図である。３つの一組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗが、３相の干渉光２７Ｕ、２７Ｖ、２７Ｗをそれぞれ検出するように、各一組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗのそれぞれの配置関係が設計されている。以上のように構成された検出部１５０により、異なる３相の干渉光に対応する３相の正弦波信号（U,V,W）が出力される。
【００６４】
また、この検出部１５０の参照符号１５０Ｕ、１５０Ｖ、または１５０Ｗで示す領域ごとに、複数の受光部が設けられている。例えば、参照符号１５０Ｕで示す領域は３つの受光部５１Ｕを有し、参照符号１５０Ｖで示す領域は３つの受光部５１Ｖ、参照符号１５０Ｗで示す領域は３つの受光部５１Ｗを有し、合計９個の受光部が設けられている。すなわち、検出部１５０は、複数の受光部が一組の受光部とされた複数組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗを有する。以下では、複数の受光部５１Ｕを、一組の受光部１５０Ｕと言う。同様に、複数の受光部５１Ｖを、一組の受光部１５０Ｖ、複数の受光部５１Ｗを、一組の受光部１５０Ｗと言う。
【００６５】
受光部５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗは、ｙ方向に長い矩形状を有する。一組の受光部１５０Ｕの受光部５１Ｕから得られる電圧信号（U相信号）を（U1,U2,U3）、一組の受光部１５０Ｖの受光部５１Ｖから得られる電圧信号（V相信号）を（V1,V2,V3）、一組の受光部１５０Ｗの受光部５１Ｗから得られる電圧信号（W相信号）を（W1,W2,W3）とする。
【００６６】
第１の実施形態の説明でも述べたように、１つの一組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、または１５０Ｗにおいて、受光部の面積、配置および形状は、各受光部ができるだけ均一な光量を受けることができるように、適宜設計されている。
【００６７】
図５Ａは、検出部１５０により得られる理想的な３相信号（U,V,W）を示す。理想的には、各信号（U1,U2,U3）の振幅および位相が一致する。同様に、理想的には、各信号（V1,V2,V3）の振幅および位相が一致し、また、各信号（W1,W2,W3）の振幅および位相が一致する。しかしながら、実際には、第１の実施形態で説明した問題から、例えば各信号の波形が乱れたり、振幅が一定でない事態が起こる。
【００６８】
図５Ｂは、実際に検出部で得られる３相信号（U,V,W）をそれぞれ示す。ここでは、３つの分割された受光部で構成される検出部により得られる３相信号（一般的な３相対応の検出部による３相信号）が示されている。このように、各信号波形に乱れやノイズが発生することにより、理想的な３相の信号波形が得られない。
【００６９】
図６は、本実施形態に係る演算部１４０の構成を示すブロック図である。選択部４１Ｕは、受光部５１Ｕでそれぞれ得られた３つの信号（U1,U2,U3）のうち、上記第１の実施形態と同様に最小値以外、ここでは最大値Umaxを選択する。選択部４１Ｖは、受光部５１Ｖでそれぞれ得られた３つの信号（V1,V2,V3）のうち最大値Vmaxを選択する。選択部４１Ｗは、受光部５１Ｗでそれぞれ得られた３つの信号（W1,W2,W3）のうち最大値Wmaxを選択する。変位量演算部４３は、これらの最大値（Umax,Vmax,Wmax）に基づき、変位量Δｘを演算する。
【００７０】
なお、異なる複数の位相を持つ信号から、変位量を求めるための演算方法は、上記第１の実施形態と同様でよい。あるいは、特開2015-021890号公報の図１３を用いて説明される技術を適用して、U,V,Wの各信号のリニアな領域のみが用いられるようにしてもよい。
【００７１】
図４Ａに示すように、複数の受光部のｘ方向での全体の幅（一組の受光部の横幅）a1の好ましい値は、ｘ方向において、第２回折格子から出射される１つの干渉光の光束幅d1の1/4以上で、かつ、光束幅d1より小さい値に設定される。光束幅d1は、図４Ｂのように、各干渉光２７Ｕ、２７Ｖ、または２７Ｗの幅で示される。
【００７２】
幅a1がd1より小さく設定されるのは、幅a1が光束幅d1と同じである場合、回折格子対や検出部１５０の組み付けによる光軸ずれがある場合、一組の受光部１５０Ｕ、１５０Ｖ、または１５０Ｗが、光束幅d1からはずれる領域を含んでしまうからである。幅a1が1/4より大きい値に設定するのは、それより小さいと、所期の検出精度、ひいては計測精度が得られないからである。
【００７３】
幅a1の下限値は、1/3、1/2、または2/3などに設定することもできる。
【００７４】
図４Ａに示すように、複数の受光部のｙ方向での全体の最大幅（１つの一組の受光部の縦幅）a2の好ましい値は、ｙ方向において、第２回折格子から出射される各干渉光の光束縦幅の最小値d2（図４Ｂ参照）の1/5以上で、かつ、当該d2より小さい値に設定される。
【００７５】
ビームの断面形状が円Ｃである場合には、受光部の縦幅a2を、光束縦幅の最小値d2と同じに設定すると、上記同様に、受光部がその光束幅からはずれる領域を含んでしまうからである。
【００７６】
幅ｂの下限値は、1/4、1/3、または1/2、2/3などに設定することもできる。
【００７７】
２．２）比較例
【００７８】
本発明者は、第２の実施形態に係る検出部１５０による検出信号と、比較例に係る検出部による検出信号とを比較する実験を行った。
【００７９】
実験で用いられた、この実施形態に係る検出部１５０の設計値は、以下の通りである。
【００８０】
１つの受光部のｘ方向の長さ：25μm、
１つの受光部のｙ方向の長さ：150μm、
一組の受光部（３つの受光部）内での、各受光部のピッチ：30μm
一組の受光部ごとのピッチ：82μm
検出部１５０に入力される光束のビーム径（開口径）：700μm
【００８１】
図７Ａ、Ｂは、３相の干渉光を検出するための、比較例に係る検出部１６０、１７０を示す。この比較例において、回折格子対のうち一方の回折格子の格子構造は、図３に示した第２の実施形態に係るものと同じである。
【００８２】
図７Ａに示す比較例１に係る検出部１６０は、各相の干渉光をそれぞれ検出する３つの矩形の受光部１６０Ｕ、１６０Ｖ、１６０Ｗを有する。１つの受光部１６０Ｕ、１６０Ｖ、または１６０Ｗの受光面積は、本実施形態に係る３つ受光部（例えば５１Ｕ）で構成される面積の和とほぼ同じとされた。
【００８３】
図７Ｂに示す比較例２に係る検出部１７０において、各相の干渉光をそれぞれ検出する一組の受光部１７０Ｕ、１７０Ｖ、１７０Ｗは、回折格子対の相対移動方向に直交するｙ方向に配列された、３つの受光部７１Ｕ、３つの受光部７１Ｖ、３つの受光部７１Ｗを有する。比較例２に係る１つの受光部の面積は、本実施形態に係る１つの受光部の面積とほぼ同じ、またはそれより小さくなるように設定された。
【００８４】
図８は、本実施形態（第２の実施形態）に係る検出部１５０、比較例１に係る検出部１６０、および比較例２に係る検出部１７０の各信号の、乱れやノイズに起因する変動量（偏差）σ（nm）を比較して示したデータである。図８では、回折格子対と検出部との光軸ずれが無い場合と、それがある場合のデータがそれぞれ示されている。「光軸ずれ」を意図的に持たせることにより、組み付け誤差が再現されている。
【００８５】
光軸ずれがある場合として、-40μm（ｘ軸）、+40μm（ｘ軸）、-40μm（ｙ軸）+40μm（ｙ軸）の４つの例を示す。例えば「-40μm（ｘ軸）」とは、回折格子対の光軸（回折格子対の中心軸に相当）に対して、検出部の光軸（検出部５０の中心軸に相当）が、ｘ軸の一方向に40μmずれていることを示す。
【００８６】
検出される３相信号が理想的であるほどσはゼロに近づくようになる。具体的には、信号の特定のスライスレベル（一定の電圧値）と、それら３相信号との交点を取る場合、その交点が時間ごとに等間隔であるほど、それら３相信号は図５の理想状態に近づき、σはゼロに近くなる。なお、本実施形態では、上記スライスレベルを、３相信号の和（理想的には常にゼロとなる）とした。
【００８７】
図８では、本実施形態に係る検出部１５０および比較例２のデータは、各受光部で得られた最大値が選択されたときに、それら最大値に基づくデータを示す。すなわち、比較例２においても、本実施形態と同様、３つの受光部７１Ｕで得られた信号（U1,U2,U3）のうち最大値Umaxが選択され、３つの受光部７１Ｖで得られた信号（V1,V2,V3）のうち最大値Vmaxが選択され、また、３つの受光部７１Ｗで得られた信号（W1,W2,W3）のうち最大値Wmaxが選択される。
【００８８】
なお、本実施形態に係る検出部１５０について、「光軸ずれ無し」と「-40μm（ｘ軸）」の変動量σを比べると、後者の方が変動量が小さい。これは、計測ごとの干渉光の入射状態のばらつきなどの原因によるものであり、これは問題にならない。
【００８９】
図８から、本実施形態に係る検出部１５０では、比較例１、２に係る検出部１６０、１７０に比べ、ｘ方向での変動量σが改善されていることがわかる。組み付け時のｘ方向の光軸ずれがある場合、回折格子対の相対移動により、受光部が光束からはみ出ることにより、変動量σが大きくなる。このような結果から、本技術のように、複数の受光部で得られた値のうち最大値を選択するという手段が効果的となる。
【００９０】
一方、ｙ方向では、光束内に受光部が含まれていれば、本実施形態に係る検出部１５０と、比較例１、２に係る検出部１６０、１７０とで、変動量σの大きな差はない。
【００９１】
なお、比較例２の形態は、一組の受光部１７０Ｕ（１７０Ｖ、または１７０Ｗ）が、複数の受光部７１Ｕ（７１Ｖ、または７１Ｗ）で構成されるので、本発明の概念に含まれる形態である。この場合、後でも説明するが、図９Ａに示すように、１つの受光部のｘ方向の長さができるだけ長く（例えば１つの干渉光の光束幅と同じ程度）に形成されることが望ましい。
【００９２】
３．第３の実施形態
【００９３】
次に、第３の実施形態として、複数の受光部で構成される一組の受光部の種々の変形例を説明する。図９Ａ〜Ｄは、それらの変形例に係る一組の受光部をそれぞれ示す。本実施形態に係るこれらの変形例は、第１の実施形態および第２の実施形態のどちらにも適用可能である。
【００９４】
３．１）変形例１
【００９５】
図９Ａに示すように、変形例１に係る一組の受光部は、実質的に等面積でなる、横長の複数の受光部５２Ｕ（５２Ｖ、または５２Ｗ）で構成される。横方向は、回折格子対の相対移動方向（ｘ方向）である。受光部５２Ｕが横長に形成されることにより、各受光部５２Ｕは、できるだけ多くの干渉縞を横切るように設けられる。これにより、各受光部５２Ｕが均一な光量の光を受けることができるので、計測精度が向上する。
【００９６】
なお、受光部５２Ｕは３つであったが、２つであってもよいし、４つ以上あってもよい。以下、同様である。
【００９７】
３．２）変形例２
【００９８】
図９Ｂに示す変形例２は、実質的に等面積でなるが、少なくとも２つの受光部の形状が異なるように構成された一組の受光部の例を示す。この例では、左側の第１受光部５３Ｕａと右側の第３受光部５３Ｕｃとが、中央の第２受光部５３Ｕｂを囲むように配置されている。また、第１受光部５３Ｕａと第３受光部５３Ｕｃとが、ｙ軸に対して線対称形状を有する。例えば中央の第２受光部５３Ｕｂがさらに複数の受光部に分割されていてもよい。
【００９９】
３．３）変形例３
【０１００】
図９Ｃに示すように、変形例３に係る一組の受光部は、実質的に等面積、三角形状で構成される複数の受光部５４Ｕを有する。これらの受光部５４Ｕの形状はすべて同じ形状とされるが、例えば、隣接する受光部５４Ｕ同士の縦方向の向きが逆になるように配置されている。
【０１０１】
３．４）変形例４
【０１０２】
図９Ｄに示すように、変形例４に係る一組の受光部は、複数の受光部のうち少なくとも１つの受光部の面積が、他の受光部の面積と異なるように構成される。この例では、３の受光部５４Ｕａ、５４Ｕｂ、５４Ｕｃが設けられ、中央の受光部５４Ｕｂ、の面積が、その両隣の受光部５４Ｕａ５４Ｕｃのそれぞれの面積の２倍となっている。この場合、演算部が、中央の受光部５１で得られる信号値に1/2を乗じる演算を実行すればよい。
【０１０３】
変形例４では、受光部５４Ｕａ、５４Ｕｂ、５４Ｕｃの形状は三角形とされているが、もちろん矩形であってもよい。
【０１０４】
４．他の種々の実施形態
【０１０５】
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。
【０１０６】
上記実施形態に係る変位計測装置は、リニアな変位を計測する装置であったが、回転角の変位を計測するロータリエンコーダにも本発明を適用可能である。
【０１０７】
ロータリエンコーダを用いる場合、受光部の形状は、もちろん矩形でもよいが、その他、三角形や扇形であってもよい。
【０１０８】
変位計測装置の光学系は、図１に示した構成例に代えて、例えば特開2015-17943号公報の図１に示した構成を備えていてもよい。この場合、回折格子対のうちいずれか１つの回折格子は、当該いずれか１つの回折格子から発生した＋ｎ次回折光または−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を出射する。すなわち、この干渉光は、第１回折格子による＋ｎ次（または−ｎ次）回折光が、第２回折格子を０次光として透過することにより生成された光と、第１回折格子を０次光として透過する光が、第２回折格子に入射して生成された＋ｎ次（または−ｎ次）回折光との干渉光である。このような変位計測装置の構成は、上述した第１〜３の実施形態やその他の実施形態に適用可能である。
【０１０９】
上記実施形態に係る選択部は、最小値以外の値として最大値を選択するように構成されていた。しかし、最大値として高出力のスパイクノイズが想定される場合、その最大値を除外するために、最大値より小さい値（例えば最大値の次に大きい値）が選択されてもよい。このようなスパイクノイズは、別途のフィルタを使うことにより除去することもできるが、最大値を除外することにより、そのような別途のフィルタを必要としない。
【０１１０】
上記実施形態では、第１回折格子および第２回折格子が、格子線の配列方向（図１においてｘ方向）に相対移動可能に設けられていた。しかし、それらは、特開2014-102260号公報に開示されているように、光源からの光線の進路に沿って離接する方向（図１においてｚ方向）に相対移動可能に設けられ、演算部はその相対移動の変位量を演算する構成であってもよい。
【０１１１】
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】
【０１１２】
２０…回折格子対
２１…回折格子（第１回折格子）
２２…回折格子（第２回折格子）
２１ａ、２２ａ、７３…格子線
２３、２５…回折光
２３ａ、２５ｂ…＋ｎ次回折光
２３ｂ、２５ａ…−ｎ次回折光
２７、２７Ｕ、２７Ｖ、２７Ｗ…干渉光
４０、１４０…演算部
４１、４１Ｕ、４１Ｖ、４１Ｗ…選択部
４３…変位量演算部
５０、１５０…検出部
５１、５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ、５２Ｕ、５３Ｕａ、５３Ｕｂ、５３Ｕｃ、５４Ｕ、５５Ｕａ、５５Ｕｂ、５５Ｕｃ、７１Ｕ、７１Ｖ，７１Ｗ…受光部
７２Ｕ、７２Ｖ、７２Ｗ…格子パターン領域
１００…変位計測装置
１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗ…一組の受光部
【図１】
2017009335.tif 000003
【図２】
2017009335.tif 000004
【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2017009335.tif 000009
【図４】
2017009335.tif 000010
【図５】
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