(57)【要約】【課題】小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置および回転角度検出方法を提供する。【解決手段】発散レーザー光１４をコリメートして生成したコリメート光束１５を、被測定物１２に搭載された反射部１９に入射し、反射部１９から反射された測定光束２１を対物レンズ４６により集光して測定用受光素子２８により測定する。測定用受光素子２８は、測定光束２１を集光して得られた光スポット３１の中心が、測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目上に位置するように配置されていると共に、位置決めステージ３２に搭載されている。被測定物１２が回転したとき、光スポット３１の中心がその境目上に位置し続けるように、位置決めステージ３２により測定用受光素子２８の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき被測定物１２の回転角度を求める。【選択図】図１
2017133892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単波長レーザー光源と、
前記単波長レーザー光源から照射された発散レーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメートレンズと、
被測定物に搭載され、前記コリメート光束が入射される反射部と、
前記反射部から反射された測定光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズにより集光された前記測定光束を測定する測定用受光素子と、
前記測定用受光素子を搭載し、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージと、
角度算出部とを備えており、
前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されており、
前記位置決めステージは、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記測定用受光素子の位置制御を行い、
前記角度算出部は、前記位置決めステージによる前記測定用受光素子の位置制御の情報に基づき、前記被測定物の回転角度を求めるよう構成されていることを
特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記測定用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記反射部からの反射光束を前記測定光束と参照光束とに分割するビームスプリッタと、
前記参照光束を測定する参照用受光素子とをさらに備え、
前記被測定物が微小角度回転しても前記参照光束全体が前記参照用受光素子の感応帯の内側に位置するように構成されていることを
特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記参照用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有することを特徴とする請求項４に記載の回転角度検出装置。
【請求項５】
前記位置決めステージを駆動制御する駆動部と、
前記測定用受光素子で発生した測定用光電流と前記参照用受光素子で発生した参照用光電流とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成する制御部とをさらに備えていることを
特徴とする請求項３又は４に記載の回転角度検出装置。
【請求項６】
前記駆動部は、圧電素子をアクチュエータとして用いていることを特徴とする請求項５に記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
前記測定用光電流を測定用電圧信号に変換する測定用電流−電圧変換回路と、
前記参照用光電流を参照用電圧信号に変換する参照用電流−電圧変換回路とをさらに備え、
前記制御部は、前記測定用電圧信号と前記参照用電圧信号とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成することを
特徴とする請求項５又は６に記載の回転角度検出装置。
【請求項８】
前記角度算出部は、前記被測定物の角度変化に含まれる周波数成分が前記駆動部の制御帯域周波数以上であるとき、前記位置制御の情報と、前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目に対する前記光スポットの中心のずれ量とに基づき、前記被測定物の回転角度を求めることを特徴とする請求項５〜７のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
【請求項９】
前記位置決めステージの位置を測定する変位センサをさらに備え、
前記角度算出部は、前記位置制御の情報として、前記変位センサの出力信号を用いて前記被測定物の回転角度を算出することを
特徴とする請求項１〜８のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
【請求項１０】
前記対物レンズは、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
【請求項１１】
前記コリメートレンズと前記反射部との間に、前記反射部からの反射光束が前記単波長レーザー光源に戻ることを防止するために、偏光ビームスプリッタ、及び１／４波長板からなる光アイソレータが配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
【請求項１２】
前記反射部は、反射鏡又は１軸若しくは２軸のパターンを持つ回折格子であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
【請求項１３】
単波長レーザー光源から照射した発散レーザー光をコリメートレンズによりコリメートして生成したコリメート光束を、被測定物に搭載された反射部に入射し、前記反射部から反射されてきた測定光束を対物レンズにより集光して測定用受光素子により測定することによって、前記被測定物の回転角度を求める回転角度検出方法であって、
前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されていると共に、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージに搭載されており、
前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記位置決めステージにより前記測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき前記被測定物の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーオートコリメーション法に基づく回転角度検出装置および回転角度検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械加工の超精密化および多軸化の進展に伴い、ワーク−ツール間の相対的位置決めの高精度化が重要な課題となってきている。その際、位置決めに用いる変位検出センサの高精度化はもとより、ワークやツールの姿勢角変化を高精度に検出する手段も必要不可欠である。特に工作機械においては、その構造からくる物理的制約により、変位・姿勢角検出用センサの搭載が容易ではないことが多く、加工機上で容易に測定ができる小型のセンサが好まれる。
【０００３】
従来、ワークもしくはツールを搭載するステージあるいは移動スライドの位置検出には、レーザー干渉計またはリニアエンコーダが用いられている（例えば、非特許文献１）。レーザー干渉計は、長ストロークに渡る測定が可能であるが、構造からくる物理的制約のため、工作機械においてはレーザー干渉計のレーザービームを取りまわすための光学部品の配置が困難であることが多い。その一方で、リニアエンコーダは、エンコーダスケールをスライド側面に搭載し、小型の光学センサヘッドを搭載すれば高精度な位置検出が可能であり、かつ工場などの厳しい環境においても良いロバスト性を有することから、近年ではリニアエンコーダが位置検出センサとして好まれる傾向にある。
【０００４】
その一方で、リニアエンコーダをスライドの位置検出センサとして用いる場合、構造からくる物理的制約により、スライドの運動軸とリニアエンコーダの測定軸とを一致させることは容易ではなく、それらの軸間には一定量の物理的オフセットが存在する。スライドが運動軸に沿って姿勢誤差なしに直線運動する理想的な場合には、この物理的オフセットは問題とならない。その一方で、実際の工作機械においては、スライドが直線運動する際には必ず微小な姿勢角誤差が発生し、この姿勢角誤差と、運動軸−センサ測定軸間オフセットによる位置決め誤差であるアッベ誤差とが発生する（例えば、非特許文献２参照）。スライド運動時の姿勢誤差は、スライド案内面の精度を向上することである程度は低減可能であるが、完全にその影響をなくすことは出来ず、ナノメートル、サブナノメートル級の超精密位置決めを実現したい場合には、スライド運動時の微小な姿勢角誤差を高精度な角度センサで検出する必要がある。
【０００５】
従来、この姿勢角測定には、測定レーザービームを複数有するレーザー干渉計、または光学式オートコリメータが用いられている（例えば、非特許文献３参照）が、高い角度検出分解能が要求されるスライド姿勢角誤差測定においては、レーザー干渉計に比べて高い測定分解能を有する光学式オートコリメータが多用されている。現在、市販のオートコリメータでは、最高０．０００５角度秒程度の高分解能測定が可能となっている。
【０００６】
また、受光素子に高速・高感度なフォトダイオードを用い、受光素子上でのレーザースポット径をマイクロメートルサイズまで縮小することで、０．０００１角度秒を超える分解能を実現する超高感度角度センサについても開発が進められている（例えば、特許文献１、非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Kunzmann h., Pfeifer T., Flugge J., “Scales Vs Laser Interferometers, Performance and Comparison of Two Measuring Systems”, Annals of the CIRP, 1993, 42(2), p.753-767
【非特許文献２】J.B. Bryan, “The Abbe Principle Revisited: An Updated Interpretation”, Prec. Eng., 1979, 1(3), p.129-132
【非特許文献３】W. Gao, “Precision nanometrology - sensors and measuring systems for nanomanufacturing”, Springer, 2010
【非特許文献４】村田大、清水裕樹、伊東聡、高偉、「超高感度角度センサに関する研究」、2013年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、2013、p.919-920
【非特許文献５】Akinori N., Takuto O., Taro I., “Trajectory Tracking Control on a Spiral Slope Using Inclination Sensors”, Trans. Japan Soc. Mech. Eng., 2010, Vol.76, No. 767 (C series), p.1735-1742
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５３２２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１および非特許文献４に記載のような超高感度角度センサにおいては、受光素子上でのレーザースポット径を縮小して測定分解能を向上すると、測定可能角度レンジが狭小化するという原理上の問題を抱えている。０．００１角度秒を超える分解能を実現しようとする場合、その測定可能角度レンジは±１０角度秒程度となる。また、角度センサ出力の非線形性が極端に増大するという課題もある。さらに、最近では、光学式角度センサが、スライド運動時の姿勢角誤差のような微小な角度の測定のみならず、精密非球面形状の測定等にも適用される例（例えば、非特許文献５参照）が増えてきており、超高分解能と広測定角度範囲の両立が望まれている。
【００１０】
以上に鑑み、本発明は、小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置、およびそれを用いた回転角度検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明者らは、超高感度角度センサにおける受光素子上での光スポット径縮小による測定分解能向上効果を維持しつつ、測定可能角度レンジを比較的に増大するために、受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、測定対象の角度変化に伴う光スポットの移動に受光素子が追従するように微少位置制御を行う、角度センサ光学系を構成することに着想した。超高感度角度センサにおいては、光スポットが受光素子の感応帯と非感応帯との境目上にある場合に角度検出感度が最大となる。従って、常に光スポットがこの受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るよう位置決めシステムでフィードバック制御を行い、位置決めシステム内の変位センサで得られた受光素子位置情報をもとに測定対象の角度変化を算出すれば、光スポット径縮小に伴う測定レンジの狭小化およびセンサ出力の非線形性増大といった従来の角度センサにおける課題を解決し、広測定範囲を有する超高感度角度センサを実現することができる。
【００１２】
すなわち、本発明は、レーザーオートコリメーション法に基づく微小回転角度検出において、測定用受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、対物レンズにより受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るようフィードバック制御し、高精度変位センサで読み取った受光素子変位量をもとに被測定対象の微小回転角度を算出することにより、広角度範囲に渡る高精度な角度検出を実現することを特徴とする。
【００１３】
具体的には、本発明に係る回転角度検出装置は、単波長レーザー光源と、前記単波長レーザー光源から照射された発散レーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメートレンズと、被測定物に搭載され、前記コリメート光束が入射される反射部と、前記反射部から反射された測定光束を集光する対物レンズと、前記対物レンズにより集光された前記測定光束を測定する測定用受光素子と、前記測定用受光素子を搭載し、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージと、角度算出部とを備えており、前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されており、前記位置決めステージは、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記測定用受光素子の位置制御を行い、前記角度算出部は、前記位置決めステージによる前記測定用受光素子の位置制御の情報に基づき、前記被測定物の回転角度を求めるよう構成されている。
【００１４】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記測定用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。
【００１５】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記反射部からの反射光束を前記測定光束と参照光束とに分割するビームスプリッタと、前記参照光束を測定する参照用受光素子とをさらに備え、前記被測定物が微小角度回転しても前記参照光束全体が前記参照用受光素子の感応帯の内側に位置するように構成されていてもよい。この場合、前記参照用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。参照光束全体が参照用受光素子の感応帯の内側に位置するために許容される被測定物の回転角度は、概ね１度以内である。
【００１６】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記位置決めステージを駆動制御する駆動部と、前記測定用受光素子で発生した測定用光電流と前記参照用受光素子で発生した参照用光電流とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成する制御部とをさらに備えていてもよい。この場合、前記駆動部は、圧電素子をアクチュエータとして用いていてもよい。また、前記測定用光電流を測定用電圧信号に変換する測定用電流−電圧変換回路と、前記参照用光電流を参照用電圧信号に変換する参照用電流−電圧変換回路とをさらに備え、前記制御部は、前記測定用電圧信号と前記参照用電圧信号とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成してもよい。また、前記角度算出部は、前記被測定物の角度変化に含まれる周波数成分が前記駆動部の制御帯域周波数以上であるとき、前記位置制御の情報と、前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目に対する前記光スポットの中心のずれ量とに基づき、前記被測定物の回転角度を求めてもよい。
【００１７】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記位置決めステージの位置を測定する変位センサをさらに備え、前記角度算出部は、前記位置制御の情報として、前記変位センサの出力信号を用いて前記被測定物の回転角度を算出してもよい。
【００１８】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記対物レンズは、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズであってもよい。このように、収差が補正されたレンズを用いることにより、光スポット径をより一層小さくすることができる。
【００１９】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記コリメートレンズと前記反射部との間に、前記反射部からの反射光束が前記単波長レーザー光源に戻ることを防止するために、偏光ビームスプリッタ、及び１／４波長板からなる光アイソレータが配置されていてもよい。このようにすると、反射鏡からの反射光束が単波長レーザー光源に戻ることを防止して、単波長レーザー光源からのレーザー光出力を安定化させることができる。
【００２０】
本発明に係る回転角度検出装置において、前記反射部は、反射鏡又は１軸若しくは２軸のパターンを持つ回折格子であってもよい。
【００２１】
本発明に係る回転角度検出方法は、単波長レーザー光源から照射した発散レーザー光をコリメートレンズによりコリメートして生成したコリメート光束を、被測定物に搭載された反射部に入射し、前記反射部から反射されてきた測定光束を対物レンズにより集光して測定用受光素子により測定することによって、前記被測定物の回転角度を求める回転角度検出方法であって、前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されていると共に、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージに搭載されており、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記位置決めステージにより前記測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき前記被測定物の回転角度を求める。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、単波長レーザー光源を測定光として用いた、レーザーオートコリメーション法に基づく微小回転角度検出において、測定用受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、対物レンズにより受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るようフィードバック制御することによって、広角度範囲に渡り高精度な角度検出を実現することができる。原理的には、測定角度レンジは、対物レンズの物理的サイズおよび測定用受光素子を搭載する精密位置決めシステムの移動レンジの限界まで拡大することが可能になる。また、精密位置決めシステムのフィードバック制御に高精度変位センサ出力を用いることによって、いずれの角度位置においても角度センサ出力の非線形性の影響を受けずに０．００１角度秒を超える超高感度分解能を得ることができる。このように、本発明によれば、小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置、およびそれを用いた回転角度検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明にかかる第一の実施形態の回転角度検出装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す回転角度検出装置の参照用受光素子および測定用受光素子上における参照用集光スポットと測定用集光スポットの位置関係を示す説明図である。
【図３】（ａ）測定用受光素子位置を固定した従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度センサによる測定における受光素子上での測定用集光スポットと測定用受光素子との位置関係を示す説明図、（ｂ）図１に示す回転角度検出装置の角度測定における受光素子上での測定用集光スポットと測定用受光素子との位置関係を示す説明図である。
【図４】図１に示す回転角度検出装置において期待される（ａ）角度センサ出力及び（ｂ）角度検出感度をそれぞれシミュレーションにより求め、従来の角度センサと比較した結果を示すグラフである。
【図５】図１に示す回転角度検出装置において、測定用受光素子の変位情報と、フィードバック制御の誤差信号とを用いて測定対象の微小回転角度を検出する方法の概略を示す説明図である。
【図６】本発明にかかる第二の実施形態の回転角度検出装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明にかかる第三の実施形態の回転角度検出装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明にかかる第一の実施形態の回転角度検出装置を、図１から図４を用いて説明する。図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いる装置構成の概略図である。なお、ここでは、移動テーブル１０、ガイドレール１１等からなるリニアスライド１２を被測定物として説明する。本光学系は、レーザー光源１３と、レーザー光源１３から照射される発散光１４をコリメートしてコリメート光束１５を生成するコリメートレンズ１６と、コリメート光束１５の進行方向を変更する偏光ビームスプリッタ１７と、偏光ビームスプリッタ１７で曲げられたコリメート光束１５の偏光状態を変える１／４波長板１８と、被測定物であるリニアスライド１２の移動テーブル１０に搭載する反射鏡１９と、反射鏡１９で反射され１／４波長板１８で再度偏光状態を変えられたコリメート光束１５を、参照光束２０と測定光束２１とに分割するビームスプリッタ２２と、参照光束２０を検出する参照用受光素子２３と、参照用受光素子２３の非感応帯２４に参照光束２０の一部が入射しないよう、参照用受光素子２３の感応帯２５上に参照用集光スポット２６を集光する集光レンズ２７と、測定光束２１を検出する測定用受光素子２８と、測定光束２１を測定用受光素子２８に集光する対物レンズ４６と、測定用受光素子２８の感応帯２９と測定用受光素子２８の非感応帯３０との境目に測定用集光スポット３１の中心が来るよう、測定用受光素子２８を載せて精密位置決めする精密位置決めステージ３２と、精密位置決めステージ３２の位置を検出する精密変位センサ３３と、参照用受光素子２３からの参照光電流信号３４を参照用電圧信号３５に変換する参照用電流−電圧変換回路３６と、測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７を測定用電圧信号３８に変換する測定用電流−電圧変換回路３９と、参照用電圧信号３５および測定用電圧信号３８をもとに精密位置決めステージ３２に入力する位置決め制御信号４１を生成する制御信号生成部４２と、位置決め制御信号４１をもとに精密位置決めステージ３２を駆動するステージドライバ４３と、精密変位センサ３３の出力信号４０をもとに移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５を算出する、角度算出部５１とからなる。なお、本発明では、測定光束２１の処理に用いる光学系、電子回路、変位センサ、精密位置決めシステムとそのコントローラを総称してオートコリメーションユニット４４と呼ぶ。
【００２５】
参照用受光素子２３および測定用受光素子２８からの出力信号と、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５との関係を、図２を用いて説明する。図２は、参照用受光素子２３および測定用受光素子２８上における、参照用集光スポット２６および測定用集光スポット３１の位置関係を示す模式図である。各光学素子における光量ロス等が無い、理想的な光学系を仮定すると、参照光束２０に含まれる全光量と測定光束２１に含まれる全光量は同一となる。そのため、測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７が、参照用受光素子２３からの参照光電流信号３４の５０％となるように、参照用電圧信号３５と測定用電圧信号３８とをもとに制御信号生成部４２によって位置決め制御信号４１を生成し、精密位置決めステージ３２により微少位置制御を行うと、測定用受光素子２８は、測定用集光スポット３１の中心４７が測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目に来るよう常に制御されることになる。
【００２６】
第一の実施形態で用いる光学系における移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化θZ ４５の検出と、測定用受光素子位置を固定した従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度センサによる測定との差異を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、測定用受光素子２８の位置を固定した、従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度測定における、測定用受光素子２８上での測定用集光スポット３１と測定用受光素子２８との位置関係を示すもので、図３（ｂ）は、本発明での角度測定における、測定用受光素子２８上での測定用集光スポット３１と測定用受光素子２８との位置関係を示すものである。移動テーブル１０にＺ軸まわり姿勢角変化４５が発生すると、オートコリメーションユニット４４に入射する測定光束２１は、対物レンズ４６に対して入射角度２θZを有することになる。このときの測定用受光素子２８上における測定用集光スポット３１の変位（δ）４９は、対物レンズ４６の焦点距離（ｆ）５０を用いて、以下の式で表される。
【００２７】
【数１】
2017133892.tif 000003
【００２８】
従来の角度センサでは、この測定用集光スポット３１の変位４９と測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７との関係を、高精度オートコリメータ等を比較対照として用いて予め校正しておき、測定光電流信号３７の変化を角度に換算する。測定用集光スポット３１の径が小さいほど、測定用集光スポット３１の変位４９に対する測定光電流信号３７の変化、つまり角度測定の感度が高くなり、高い分解能での測定が可能となる。その一方で、この手法では、測定用集光スポット３１の変位４９が測定用集光スポット３１の半径を超えると、角度測定ができない。
【００２９】
これに対し、本発明で開示の回転角度検出装置においては、図３（ｂ）に示すように、移動テーブル１０にＺ軸まわり姿勢角変化４５が発生した場合、参照光電流信号３４、測定光電流信号３７をもとに精密位置決めステージ３２を用いて測定用受光素子２８を微少位置制御し、測定用集光スポット３１の中心４７が測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目に来るように位置決め制御する。このとき、精密変位センサ３３で検出した精密位置決めステージ３２の移動量が式（１）中のδに相当するため、精密変位センサ３３の出力を用いることで、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５を求めることができる。この手法では、原理的には対物レンズ４６の物理的サイズおよび測定用受光素子２８を搭載する精密位置決めステージ３２の移動レンジの限界まで測定角度範囲を拡大することが可能である。
【００３０】
従来の角度センサの角度検出感度および、本発明で開示の回転角度検出装置において期待される角度検出感度を、シミュレーションにより求め比較した。図４に示すのは、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化４５に対する角度センサ出力、および各々の回転角度に対する出力変化量（角度センサ感度）である。シミュレーションにおいては、コリメート光束１５の直径を１０ｍｍ、対物レンズ４６の焦点距離を１００ｍｍとし、レーザー光源１３からの射出レーザー光の波長を６８５ｎｍとした。なお各々の出力ＳＯＵＴは、以下の式を用いて算出した。
【００３１】
【数２】
2017133892.tif 000004
【００３２】
式（２）中のＩＭｅａｓおよびＩＲｅｆは、それぞれ参照光電流信号３４および測定光電流信号３７である。コリメート光束１５を対物レンズ４６で集光すると、測定用受光素子２８上においては、測定用集光スポット３１はガウス分布様の光強度分布を有するため、図４（ａ）に示すように、従来の角度センサは、±５角度秒を超える範囲において強い非線形性を有する出力曲線を持つ。一方、本発明で開示の回転角度検出装置においては、常に測定用受光素子２８の位置が制御されるため、出力は一定となる。この結果をもとに、変位角度秒あたりのセンサ出力変化量（感度）を求めた結果が、図４（ｂ）である。従来の角度センサにおいては、高い感度が得られるのは±２角度秒程度のごく狭い角度範囲に限られている。その一方で、本発明で開示の回転角度検出装置においては、測定用集光スポット３１が常に測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目にあるため、その感度は一定かつ高い水準を保つことができる。
【００３３】
なお、本発明にかかる第一の実施形態においては、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御は不完全であっても差し支えない。測定用受光素子２８の変位情報と、フィードバック制御の誤差信号とを用いて、測定対象の微小回転角度を検出する手法の概略を図５に示す。本発明で開示の回転角度検出装置において、測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目に対する測定用集光スポット３１の中心４７のずれ量（ｅ）４８と測定光電流信号３７との関係を、従来の角度センサと同様に、高精度オートコリメータ等を比較対照として用いて予め校正しておけば、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御に誤差が生じて、測定用集光スポット３１の中心４７が測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目からずれた場合にも、そのずれ量４８を制御信号生成部４２によって生成される位置決め制御信号４１から得ることができ、これを精密変位センサ３３によって得られた精密位置決めステージ３２の変位（Δｓ）とともに用いて次の式を用いて演算することで、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５を得ることができる。
【００３４】
【数３】
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【００３５】
この手法は、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化４５に含まれる時間周波数成分が、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御の帯域を超えるような場合に有効であり、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御に要求される高速追従性に関する条件を緩和することが可能である。
【００３６】
本発明にかかる第二の実施形態の回転角度検出装置を、図６を用いて説明する。図６は、本発明にかかる第二の実施形態で用いる装置構成の概略図である。主な構成は、図１に示した第一の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第二の実施形態では、測定光束２１をピッチ角測定光束５２とヨー角測定光束５３とに分割するビームスプリッタ５４を用いるとともに、オートコリメーションユニット５５を追加している。これにより、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５に加え、Ｙ軸まわり姿勢角変化（θＹ）５６の検出が可能となる。
【００３７】
本発明にかかる第三の実施形態の回転角度検出装置を、図７を用いて説明する。図７は、本発明にかかる第三の実施形態で用いる装置構成の概略図である。主な構成は、図１に示した第一の実施形態、および第二の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第三の実施形態では、反射鏡１９にかえて回折格子５７を被測定物であるリニアスライド１２の移動テーブル１０に搭載する。回折格子５７は表面にピッチ一定の微細パターン５８を有しており、これにレーザー光を入射すると、格子パターンに対し垂直な方向に回折角を有する一次回折光５９を発生する。なお、０次回折光は、測定光束２１である。第三の実施形態では、この一次回折光５９を用いて移動テーブル１０のＸ軸まわり姿勢角変化（θX）６０を検出するためのオートコリメーションユニット６１を追加している。これにより、移動テーブル１０のＸ、Ｙ、Ｚ３軸まわりの姿勢角変化の一括検出が可能となる。なお、ここで用いる回折格子５７は、ピッチ一定の微細パターン５８を有すれば良く、そのパターン形状は１軸パターン、２軸パターンのいずれでも構わない。
【００３８】
なお、上記第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態においては、レーザー光源１３から射出されるレーザー光の光量ゆらぎを考慮し、測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７とともに参照用受光素子２３からの参照光電流信号３４を制御信号生成部４２に入力している。レーザー光の光量ゆらぎが無視できるほど小さい場合には、参照信号用の光学部品および回路部品を省き、参照光電流信号３４にかわる基準信号を与えることで、装置構成を簡略化しても差し支えない。
【００３９】
また、第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態においては、偏光ビームスプリッタ１７と１／４波長板１８を用い、コリメート光束１５が反射鏡１９により反射される前に光路を９０°曲げているが、反射鏡１９による反射後に光路を９０°曲げるよう構成を変更しても差し支えない。更に、装置構成をよりコンパクトにするため、精密変位センサ３３と精密位置決めステージ３２が一体化したものを適用しても差し支えない。
【００４０】
また、第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態において、測定用受光素子２８及び参照用受光素子２３は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。また、ステージドライバ４３は、圧電素子をアクチュエータとして用いていてもよい。また、測定用電流−電圧変換回路３９や参照用電流−電圧変換回路３６を介さずに、測定用受光素子２８で発生した測定用光電流と参照用受光素子２３で発生した参照用光電流とに基づき制御信号生成部４２が位置決め制御信号４１を生成してもよい。また、対物レンズ４６は、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズなどであってもよい。このような収差が補正されたレンズを用いることにより、光スポット径をより一層小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、従来は装置内で固定されていた測定用受光素子を精密位置決めシステムに搭載して可動とし、測定用受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るよう常にフィードバックすることで、広角度範囲に渡り高分解能・高精度な角度検出を実現することができる。更に、高精度変位センサ出力と、測定用受光素子のフィードバック制御誤差とを活用することで、測定用受光素子を搭載する精密位置決め装置の制御帯域を超える高周波数成分を含む角度変化についても、その測定が可能である。これらの特徴は、精密機械産業における超精密・高速感度測定に対する要求を満たすもので、その産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００４２】
１０  移動テーブル
１１  ガイドレール
１２  リニアスライド
１３  レーザー光源
１４  発散光
１５  コリメート光束
１６  コリメートレンズ
１７  偏光ビームスプリッタ
１８  １／４波長板
１９  反射鏡
２０  参照光束
２１  測定光束
２２  ビームスプリッタ
２３  参照用受光素子
２４  参照用受光素子の非感応帯
２５  参照用受光素子の感応帯
２６  参照用集光スポット
２７  集光レンズ
２８  測定用受光素子
２９  測定用受光素子の感応帯
３０  測定用受光素子の非感応帯
３１  測定用集光スポット
３２  精密位置決めステージ
３３  精密変位センサ
３４  参照光電流信号
３５  参照用電圧信号
３６  参照用電流-電圧変換回路
３７  測定光電流信号
３８  測定用電圧信号
３９  測定用電流−電圧変換回路
４０  精密変位センサの出力信号
４１  位置決め制御信号
４２  制御信号生成部
４３  ステージドライバ
４４  オートコリメーションユニット
４５  Ｚ軸まわり姿勢角変化（θZ）
４６  対物レンズ
４７  測定用集光スポット中心
４８  測定用集光スポット中心のずれ量（ｅ）
４９  測定用集光スポットの変位（δ）
５０  対物レンズの焦点距離（ｆ）
５１  角度算出部
５２  ピッチ角測定光束
５３  ヨー角測定光束
５４  ビームスプリッタ
５５  オートコリメーションユニット
５６  Ｙ軸まわり姿勢角変化（θＹ）
５７  回折格子
５８  ピッチ一定の微細パターン
５９  一次回折光
６０  Ｘ軸まわり姿勢角変化（θX）
６１  オートコリメーションユニット
【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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