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JP6420630B2 - Displacement measuring device and displacement measuring method - Google Patents
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Description

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。   The present invention relates to a displacement measuring apparatus and a displacement measuring method using optical interference.

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)。   For example, Patent Document 1 discloses a displacement measuring device using optical interference. This displacement measuring device includes a laser light source, a collimator lens, a first diffraction grating, a second diffraction grating, and an optical sensor in this order from the light source side. The optical sensor diffracted light (for example, 1st order) diffracted by a first diffraction grating and diffracted light (for example 1 Next, the interference light is detected. This displacement measuring device measures a change in the distance between the first and second diffraction gratings, that is, a displacement to be measured based on a change in the amount of light due to the brightness of the interference light detected by the optical sensor (for example, patent document). 1 specification paragraphs [0020], [0023], [0027], see FIGS.

国際公開第2011/043354号パンフレットInternational Publication No. 2011/043354 Pamphlet

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。   Since the displacement measuring device described in Patent Document 1 employs an incremental method, there is a problem that an absolute position or a zero point cannot be detected.

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。   In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a displacement measuring device and a displacement measuring method capable of detecting an absolute position in a measuring device using optical interference.

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。
In order to achieve the above object, a displacement measuring apparatus according to an aspect of the present invention includes a light source, a diffraction grating pair, a first detector, a second detector, a relative displacement calculator, and an absolute position calculator. It comprises.
The diffraction grating pair is composed of a first optical element and a second optical element, is relatively movable, is provided to face along the path of a light beam, and the light emitted from the light source is the diffraction grating pair. Is incident on.
The first detection unit detects interference light caused by diffracted light respectively emitted from the first optical element and the second optical element.
The second detection unit detects non-interfering light emitted from the diffraction grating pair.
The relative displacement calculation unit is configured to detect the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the lattice lines of the first optical element and the second optical element based on the signal obtained by the first detection unit. Calculate the relative displacement.
The absolute position calculator calculates an absolute position of the other of the first optical element and the second optical element with respect to one of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the lattice lines based on the signal obtained by the second detector. .
In this displacement measuring apparatus, the relative displacement of the diffraction grating pair is detected based on the interference light signal detected by the first detection unit, and the absolute position is determined based on the non-interference light signal detected by the second detection unit. Can be detected.

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。
The first detector includes a −n-order diffracted light generated from the second optical element when + n-order diffracted light from the first optical element is incident on the second optical element, and a −n-order diffracted light from the first optical element. May enter the second optical element and detect interference light with + n-order diffracted light generated from the second optical element. However, n is a natural number of 1 or more.
As a result, interference light can be formed, and the relative displacement calculator can calculate the relative displacement of the first and second optical elements with high accuracy.

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。
The second detection unit may detect + (n + 1) -order diffracted light generated from the second optical element when + n-order diffracted light from the first optical element is incident on the second optical element.
Accordingly, non-interfering light can be generated from the diffraction grating pair, and the second detection unit can be disposed at a position away from the first detection unit.

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。
The second detection unit may include a first detection region and a second detection region arranged in a direction in which the non-interfering light moves due to relative movement of the first optical element and the second optical element. Further, the absolute position calculation unit may calculate the absolute position based on signals obtained in the first detection area and the second detection area, respectively.
Since two signals are obtained by providing the two detection areas in this way, the absolute position calculation unit can calculate the absolute position with high accuracy based on the two signals.

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。
The absolute position calculation unit may calculate the absolute position based on a difference between signals obtained in the first detection area and the second detection area.
By calculating the difference, the measurement accuracy can be maintained without being affected by a decrease in the output value of the signal due to aging or aging of the second detection unit.

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。
The edge of the light receiving region of the second detection unit is not orthogonal to the moving direction in which the non-interfering light moves due to the relative movement of the first optical element and the second optical element, and is different from the moving direction. A specific edge provided along the edge may be included.
Thereby, the change of the light reception amount of the non-interference light obtained by the 2nd detection part for every relative unit displacement of the 1st optical element and the 2nd optical element can be enlarged. As a result, the resolution of absolute position measurement can be increased.

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。   The second detection unit may include a light shielding region, and the specific edge of the light receiving region may be a boundary line with the light shielding region.

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。   The edges of the light receiving areas of both the first detection area and the second detection area are not orthogonal to the moving direction in which the non-interfering light moves due to the relative movement of the first optical element and the second optical element, and The specific edge provided so that the direction different from the said movement direction may be included may be included.

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。   The first detection area and the second detection area may each have a light shielding area, and the specific edge of the light receiving area may be a boundary line with the light shielding area.

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。   Either one of the first optical element and the second optical element includes a diffraction grating region and a non-diffraction grating region, and the second detection unit transmits light that has passed through the non-diffraction grating region. You may detect as the said non-interference light.

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。
A displacement measurement method according to an aspect of the present invention is a displacement measurement method using a displacement measurement device including a light source, a diffraction grating pair, and a detection unit.
The diffraction grating pair is composed of a first optical element and a second optical element, is relatively movable, is provided to face along the path of a light beam, and the light emitted from the light source is the diffraction grating pair. Is incident on.
The detection unit detects light emitted from the diffraction grating pair.
Interference light by the diffracted light respectively emitted from the first optical element and the second optical element is detected by the first detection unit among the detection units.
Non-interference light emitted from the diffraction grating pair is detected by a second detection unit among the detection units.
Based on the signal obtained by the first detection unit, the relative displacement of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the lattice lines of the first optical element and the second optical element is calculated.
Based on the signal obtained by the second detection unit, the absolute position of the other of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the lattice lines is calculated.

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。   According to the above invention, an absolute position can be detected in displacement measurement using optical interference.

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。FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a basic optical system of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 shows the detection areas of the first PD and the second PD constituting the second detection unit. 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。FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the mechanical movement of the displacement measuring device. 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。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the relative displacement of the diffraction grating pair in the x direction and the voltage signal obtained by the first detection unit. 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。FIG. 5A is a graph showing a signal obtained by the second detection unit. FIG. 5B shows a simulation result of the graph shown in FIG. 5A. 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。FIG. 6 is a block diagram illustrating a functional configuration of the arithmetic circuit. 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。FIGS. 7A to 7C show examples of detection regions of the first PD and the second PD constituting the second detection unit according to the second embodiment of the present invention. 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。8A and 8B show detection areas according to still another example of the first PD and the second PD constituting the second detection unit according to the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 9 shows a part of the configuration of the displacement measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 10 shows a main part of a diffraction grating pair according to still another embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。
1. First Embodiment (1) Configuration of Displacement Measuring Device FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic optical system configuration of a displacement measuring device according to a first embodiment of the present invention.

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。   The displacement measuring apparatus 100 includes a light source 12, a collimator lens 14, a diffraction grating pair 20, a first detection unit 31, a second detection unit 32, and an arithmetic circuit 40.

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。   The light source 12 is an LD (Laser Diode) or an LED (Light Emitting Diode), and is driven by a driver (not shown).

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。   The collimator lens 14 turns the light emitted from the light source 12 into parallel light 15. At least the light source 12 and the collimator lens 14 constitute an optical system that generates parallel light.

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。   Light from the light source 12 and the collimator lens 14 enters the diffraction grating pair 20 and emits diffracted light. The diffraction grating pair 20 includes, for example, a transmissive first optical element 21 and a second optical element 22. Each of the first optical element 21 and the second optical element 22 is a diffraction grating element. The first optical element 21 and the second optical element 22 are disposed so as to face each other along the light paths from the light source 12 and the collimator lens 14, here along the optical axes of the light source 12 and the collimator lens 14. As will be described later, it is relatively movable in a predetermined direction.

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。   The first optical element 21 includes the 0th-order light 30a that goes straight on the optical axis of the diffraction grating pair 20 and the + nth-order diffracted light (n is a natural number of 1 or more, and so on). 23a and -n-order diffracted light 25a are divided and advanced.

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。   The second optical element 22 emits the 0th-order light 30a emitted from the first optical element 21 and incident on the second optical element 22 as 0th-order light 30b that travels straight on the optical axis. For convenience of explanation, hereinafter, when referring to the diffracted light of both the 0th-order light 30a and the 0th-order light 30b, it is referred to as “0th-order light 30”. The second optical element 22 generates -n-order diffracted light 23b of + n-order diffracted light 23a incident thereon, and generates + n-order diffracted light 25b of -n-order diffracted light 25a incident thereon.

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。   For convenience of explanation, in FIG. 1, the order of diffracted light generated from one light beam and bent to the right side of the one light beam is positive. Further, the order of the diffracted light that is bent to the left of the one light beam is negative.

−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。   The −nth order diffracted light 23b and the + nth order diffracted light 25b interfere with each other, thereby generating interference light 27. The first detection unit 31 is disposed at a position where the interference light 27 is mainly detected. Specifically, the −nth order diffracted light 23b and the + nth order diffracted light 25b travel in a direction along the optical axis of the diffraction grating pair 20 (z direction in FIG. 1), and the interference light 27 is generated at a position including the optical axis. To do. Accordingly, the first detection unit 31 that detects the interference light 27 is disposed on the optical axis of the diffraction grating pair 20. The first detection unit 31 is typically composed of one PD (photodiode).

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。   The light on the optical axis includes the 0th-order light 30, and the first detection unit 31 receives the 0th-order light 30 in addition to the interference light 27. However, since the zero-order light 30 is not necessary for displacement measurement, the displacement measuring apparatus 100 reduces the influence of the zero-order light 30 by specific means. Another means is to keep the distance between the diffraction grating pair 20 at a predetermined distance, for example.

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。
The predetermined distance is an optical path difference between the three light beams of the 0th-order light 30, the diffracted light (23a, 23b), and the diffracted light (25a, 25b).
(2a + 1) λ / 4 (a is an integer of 0 or more)
It is the distance which satisfies. A substantial optical path difference does not occur in the diffracted light (23a, 23b) and the diffracted light (25a, 25b). Therefore, the optical path difference between the 0th-order light 30 and the diffracted light (23a, 23b) or the diffracted light (25a, 25b) should substantially satisfy the above expression.

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。   The first optical element 21 and the second optical element 22 are diffraction grating elements having substantially the same shape and the same size. For example, each optical element 21 (and 22) has a plurality of lattice lines 21a (and 22a) which are grooves along the y direction orthogonal to the z direction in FIG. The pitch P of the grid lines 21a of the first optical element 21 and the pitch P of the grid lines 22a of the second optical element 21 are formed substantially the same. As an example of the structure of the lattice lines 21a and 22a, the pitch P is 3.3 μm and the groove depth is 473 μm. Of course, it is not restricted to these values.

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。   The displacement measuring apparatus 100 according to the present embodiment uses the relative displacement Δx of the diffraction grating pair 20 in the x direction, which is the arrangement direction of the grating lines 21a and 22a, as a measurement target. The measurable range is, for example, a displacement on the order of submicrometer to micrometer.

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。   In this specification, two axes orthogonal to the z direction are defined as x and y axes. As described above, the direction along the grating lines 21a and 22a of each diffraction grating is the y direction, and the arrangement direction of the grating lines 21a and 22a is the x direction. In the x-axis, the right direction is positive (+) and the left direction is negative (-) in FIG.

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。   The second detection unit 32 typically includes a first PD 32A and a second PD 32B as two PDs arranged in the x direction. The first PD 32A has a first detection region on a surface on which light is incident, and the second PD 32B has a second detection region on a surface on which light is incident. FIG. 2 shows the detection areas of the first PD 32A and the second PD 32B. These detection areas have, for example, a generally rectangular shape.

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   As shown in FIG. 1, −n-order diffracted light emitted from the first optical element 21 is incident on the second optical element 22, and further − (n + 1) -order diffracted light is detected from the second optical element 22. n is a natural number of 1 or more

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。   In the present embodiment, typically, the first detection unit 31 includes the + 1st order diffracted light 23a emitted from the first optical element 21, the 1st order diffracted light 23b emitted from the second optical element 22, and the first Interference light 27 with the −1st order diffracted light 25a emitted from the first optical element 21 and the + 1st order diffracted light 25b emitted from the second optical element 22 is detected.

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。   Also, typically, the second detection unit 32 can receive the −1st order diffracted light 25 a emitted from the first optical element 21 and the −1st order diffracted light 25 c emitted from the second optical element 22. Is arranged. The -1st order diffracted light 25a and the -1st order diffracted light 25c are non-interfering lights that do not interfere with other light.

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。   As described above, the first detection unit 31 and the second detection unit 32 handle light having a level of ± 1st order diffracted light, but diffracted light of ± 2nd order or later may be used. In practice, there are many diffracted lights other than those shown in FIG. 1, but they are not shown for ease of explanation.

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。   Strictly speaking, not all of the beams constituting the −1st order diffracted light 25c are non-interfering light, and there is an optical region where interference occurs at a low light intensity level. However, it does not affect the technology because it is a low level light intensity.

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。   Returning to the description of FIG. At the reference position, the center C of the light beam of the non-interfering light that is the −1st order diffracted light 25c generated from the diffraction grating pair 20 is substantially coincident with the center between the detection regions of the first PD 32A and the second PD 32B. The first PD 32A and the second PD 32B are arranged. The reference position is a home position of the displacement measuring apparatus 100. From the viewpoint of ease of explanation, this reference position is defined as a position where the displacement (Δx shown in FIG. 1) of the first optical element 21 and the second optical element 22 is 0 for convenience. A state where the diffraction grating pair 20 is at the reference position is defined as a state where the displacement Δx is zero (a state where the diffraction grating pair 20 is at the zero point in the absolute position).

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。   When the first optical element 21 and the second optical element 22 are relatively displaced in the x direction, as shown in FIG. 2, the beam of the non-interfering light 25c is broken by a broken line from the center position between the first PD 32A and the second PD 32B. As shown, it moves in either positive or negative direction on the x-axis. Depending on the relative movement direction of the first optical element 21 and the second optical element 22, the positive and negative directions on the x-axis along which the beam of the non-interference light 25c moves are different. The first PD 32A and the second PD 32B are arranged in the direction in which the non-interfering light 25c moves due to the relative movement of the first optical element 21 and the second optical element 22 (in this embodiment, the x direction).

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。   FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the mechanical movement of the displacement measuring apparatus 100 configured as described above. The light source 12, the collimator lens 14, and the first optical element 21 are integrally supported by a housing (or frame) 51. The second optical element 22, the first detection unit 31, and the second detection unit 32 are integrally supported by a housing (or frame) 52. The casings 51 and 52 are configured to be relatively movable in the x direction by a slide mechanism (not shown) (for example, a slide shaft). The casings 51 and 52 are configured to return to the reference position by a spring force of a spring (not shown) (for example, a leaf spring).

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。   The arithmetic circuit 40 performs a predetermined arithmetic processing based on the respective signals (voltage signals corresponding to the amount of received light) S1, S2A, S2B obtained by the first detection unit 31 and the second detection unit 32, so that the relative It is configured to calculate the displacement Δx and the absolute position. Specifically, the arithmetic circuit 40 calculates the displacement Δx based on the signal S1 obtained by the first detector 31, and based on the signals S2A and S2B obtained by the second detector 32, the absolute position, that is, zero. Calculate the position from the point.

(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。
(2) Displacement Measurement Principle by Displacement Measuring Device (a) Signal Obtained by First Detection Unit FIG. 4 shows the relative displacement (μm) in the x direction of the diffraction grating pair 20 and the first detection unit 31. It is a graph which shows the relationship with the voltage signal obtained. In this example, the pitch of the grating lines 21a and 22a of the diffraction grating pair 20 is, for example, 3.3 μm, and the center wavelength of the light from the light source 12 is 850 nm.

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。   As can be seen from this graph, the first detector 31 outputs a waveform signal having periodicity for each pitch P of the lattice lines 21a and 22a. That is, for each pitch P, the first detection unit 31 obtains a light amount with a period of light and dark sets of the grid lines as one cycle. The waveform signal having periodicity is typically a sin waveform signal.

(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。
(B) Signal Obtained by Second Detection Unit As shown in FIG. 2, from the position of the non-interfering light 25c beam corresponding to the reference position (the beam position indicated by hatching in FIG. 2) to the right of the non-interfering light beam As the amount of movement increases, the amount of light received by the second PD 32B increases and the amount of light received by the first PD 32A decreases. Conversely, as the amount of non-interfering light beam moving leftward from the non-interfering light beam position corresponding to the reference position increases, the amount of light received by the second PD 32B decreases and the amount of light received by the first PD 32A increases.

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。   FIG. 5A is a graph showing a signal obtained by the second detection unit 32. The horizontal axis represents the relative displacement (Δx) of the diffraction grating pair 20. The relative movement direction of the first optical element 21 and the second optical element 22 was defined with the right direction on the horizontal axis being positive (+) and the left direction being negative (-). The vertical axis represents the amount of received light. The solid line indicates the amount of light received by the first PD 32A, and the broken line indicates the amount of light received by the second PD 32B. As described above, the second detection unit 32 can obtain a light reception amount symmetrical in the x direction around the zero point corresponding to the reference position of the diffraction grating pair 20. FIG. 5B shows a simulation result of the graph shown in FIG. 5A.

(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。
(C) Arithmetic Circuit FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration of the arithmetic circuit 40. The arithmetic circuit 40 includes an A / D converter 41 and a relative displacement calculation unit 42.

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。   The A / D converter 41 converts the analog waveform signal S1 output from the first detection unit 31 into a digital value. The A / D converter 41 is configured to count the number of waves of the input signal, for example, by counting the frequency of the waveform signal, and to output this count value.

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。   The relative displacement calculator 42 is configured to calculate the relative displacement based on the count value. As described above, one wave number (one count value) corresponds to the pitch P of the lattice lines 21a and 22a. Therefore, the relative displacement calculator 42 can calculate the relative displacement of the diffraction grating pair 20 by multiplying the count value by the fixed pitch P.

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。   The relative displacement Δx is the displacement of the diffraction grating pair 20 measured for the first time when the power is turned on. Therefore, when the diffraction grating pair 20 is not at the reference position at the moment of turning on the power, the relative displacement Δx indicates the displacement from the position at the moment of turning on the power, and does not indicate the displacement from the reference position.

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。   The arithmetic circuit 40 includes a difference calculation unit 43, an A / D converter 44, an absolute position calculation unit 45, a data storage unit 46, and a displacement calculation unit 47.

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。   The difference calculation unit 43 is configured to calculate a difference between the analog waveform signal S2A output from the first PD 32A in the second detection unit 32 and the analog waveform signal S2B output from the second PD 32B. The difference calculation unit 43 is typically configured by a differential amplifier.

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。   The A / D converter 44 converts the analog signal output from the difference calculation unit 43 into a digital value.

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。   The arrangement of the difference calculation unit 43 and the A / D converter 44 may be reversed. In this case, the waveform signals S2A and S2B are AD-converted, and the difference between the two obtained signal values is calculated by the difference calculation unit 43. In this case, the difference sending unit is configured by a circuit capable of digital processing.

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。   The data storage unit 46 stores look-up table data that associates the difference value with the amount of movement due to the relative movement of the diffraction grating pair 20 (the amount of movement from the zero point corresponding to the reference position). In the present embodiment, when the difference value is 0, it is assumed that the diffraction grating pair 20 is at the reference position. This table data is created based on the data shown in FIGS. 5A and 5B when the displacement measuring apparatus 100 is designed or manufactured, and is stored in the data storage unit 46.

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。   The absolute position calculation unit 45 refers to the table data, extracts the absolute position corresponding to the difference value actually calculated by the difference calculation unit 43, and outputs this.

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。   The absolute position calculation unit 45 may not store the look-up table method, and may store an arithmetic expression for obtaining the absolute position, which is created based on FIGS. 5A and 5B, for example. In this case, the absolute position calculation unit 45 can calculate the absolute position based on the actually calculated difference value using the arithmetic expression.

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。   The displacement calculator 47 is configured to calculate an absolute displacement based on the relative displacement obtained by the relative displacement calculator 42 and the absolute position obtained by the absolute position calculator 45. Specifically, the displacement calculation unit 47 obtains the absolute position calculated by the absolute position calculation unit 45, and outputs the absolute displacement by adding the relative displacement calculated by the relative displacement calculation unit 42 to the absolute position. can do.

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。   5A and 5B, the absolute position calculation unit 45 determines which side the current position is from the reference position from the polarity (positive or negative) of the difference value obtained by the difference calculation unit 43. can do.

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。   The arithmetic circuit 40 mainly includes hardware such as an MPU (Micro Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory). The arithmetic circuit 40 may include a PLD (Programmable Logic Device) such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) in addition to or instead of the MPU, or a DSP (Digital Signal Processor), ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or the like may be provided. The arithmetic circuit 40 may be composed of a plurality of physically separated chip packages or elements. A part of the arithmetic circuit 40 may be configured by an analog circuit (for example, the above-described differential amplifier).

(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。
(3) Summary As described above, in the displacement measuring apparatus 100 according to the present embodiment, the relative displacement of the diffraction grating pair is detected based on the interference light signal S1 detected by the first detection unit 31, and the second detection unit. Based on the non-interfering light signals S2A and S2B detected at 32, the absolute position can be detected. Therefore, absolute displacement can be detected.

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。   As a result of detecting the absolute displacement, even when the power of the displacement measuring device 100 is turned off, the displacement measuring device 100 starts to operate and detects the absolute position when the power is turned on next time. Absolute displacement can be measured. Therefore, when the displacement measuring apparatus 100 is not used, the power consumption can be reduced by turning off the power.

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。   In the present embodiment, the second detection unit 32 has the first PD 32A and the second PD 32B, that is, two detection regions, and the difference calculation unit 43 calculates the difference between these signals to calculate the absolute position. Therefore, highly accurate measurement is possible as compared with the case where the absolute position is calculated in one detection region. Specifically, even if the output values of the PDs 32A and 32B fluctuate due to, for example, aging or aging of the two PDs 32A and 32B, the influence of the fluctuations on the measured values is reduced.

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。
2. Second Embodiment Next, a displacement measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, elements that are substantially the same as members and functions included in the displacement measuring apparatus 100 according to the embodiment shown in FIG. 1 and the like are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted. The explanation will focus on the different points.

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。   FIGS. 7A to 7C and FIGS. 8A and 8B show detection areas of the first PD and the second PD constituting the second detection unit according to the second embodiment.

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。   The second detection unit illustrated in FIG. 7A includes a light shielding region 84 in each rectangular detection region of the first PD 82A and the second PD 82B. That is, the detection area has a light receiving area 83 and a light shielding area 84. The light shielding region 84 has, for example, a triangular shape. The light shielding regions 84 of the first PD 32A and the second PD 32B are arranged so as to be rotationally symmetric with respect to the center (see FIG. 2) of the beam of the non-interference light 25c corresponding to the reference position.

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。   In a higher concept, the edge of the light receiving region 83 among these detection regions is not orthogonal to the moving direction (left and right direction in the figure) in which the non-interfering light beam moves due to the relative movement of the diffraction grating pair 20, and The specific edge 85 provided along the direction different from a moving direction is included. In the present embodiment, the specific edge 85 is an edge along the oblique side of the isosceles light shielding region 84, and is an edge corresponding to the boundary line between the light receiving region 83 and the light shielding region 84.

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。   According to the configuration of the second detection unit, it is possible to increase the change in the amount of received non-interference light obtained by the second detection unit for each relative unit displacement of the diffraction grating pair 20. As a result, the resolution of absolute position measurement can be increased.

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。   Moreover, according to the structure of this 2nd detection part, there also exist the following merit. For example, even if the non-interfering light beam moves in one direction of the positive direction and the negative direction and is received by only one detection area among the detection areas of the first PD 32A and the second PD 32B, the non-interference light A change in the amount of received light due to the movement of the beam can be detected. Thereby, the detection range of the received light signal, that is, the measurement range of the absolute position can be expanded.

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。   FIG. 7B shows a detection region of the second detection unit according to a modification of the second detection unit shown in FIG. 7A. In the second detection unit, the two light shielding regions 84 are not rotationally symmetric but are arranged symmetrically with respect to a line passing through the center of the non-interfering light beam corresponding to the reference position. The effect by this 2nd detection part is the same as that of what was shown to FIG. 7A.

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。   FIG. 7C shows a second detection unit according to still another modification. In the second detection unit, two light shielding regions 84 are arranged in the y direction (see FIG. 1) in one detection region, and a total of four light shielding regions 84 are provided in the two detection regions. The shape of one light shielding region 84 is a triangle, similar to that shown in FIGS. 7A and 7B. In this embodiment, two specific edges 85 are provided in one detection area.

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。   According to this embodiment, the change in the amount of received non-interfering light obtained by the second detection unit for each relative unit displacement of the diffraction grating pair 20 is the same as that of the second detection unit shown in FIGS. In comparison, it can be made even larger.

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。   FIG. 8A shows a second detection unit according to still another modification. The first PD 132A and the second PD 132B of the second detection unit according to this example include a light receiving region 83 having a specific shape. The light receiving region 83 has, for example, a trapezoid. The edge of the light receiving region 83 is not orthogonal to the moving direction in which the beam of the non-interfering light 25c moves due to the relative movement of the diffraction grating pair 20, and is along a direction different from the moving direction, as in the above embodiment. Specific edge 85 provided. More specifically, the light receiving area 83 has a shape of an area excluding the light shielding area 84 in the detection area shown in FIG. 7B. Even with the second detector having such a structure, the same effect as that of the second detector shown in FIG. 7B can be obtained.

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。   Or you may provide PD which has the light reception area | region 83 except the light shielding area | region 84 among the detection areas shown to FIG. 7C like the 2nd detection part shown to FIG. 8B.

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。   As described above, the specific edge 85 of the light receiving region 83 of the second detection unit illustrated in FIGS. 7 and 8 is linear, but may be curved. In this case, the curve may have a shape such that the received light amount obtained by the curve is obtained as a straight line as shown in FIG. 5A.

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。
3. Third Embodiment FIG. 9 shows a part of the configuration of a displacement measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention. The diffraction grating pair 70 of this displacement measuring device is composed of a first optical element 21 and a second optical element 72. One of the first optical element 21 and the second optical element 72, here, the second optical element 72 on the rear stage side has a form including a diffraction grating region 72a and a non-diffraction grating region 72b. . The non-diffraction grating region 72b is, for example, a region that is formed in a flat plate shape and does not include a groove. For example, the first optical element 21 may be the same as the first optical element 21 in the first embodiment.

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。   The first detection unit 31 detects the interference light 27 emitted from the diffraction grating pair 70 as in the first embodiment.

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。   The second detector 32 detects the non-interference light 75 emitted from the diffraction grating pair 70. The non-interfering light 75 is light that is incident on the second optical element 72 and has passed through the non-diffraction grating region 72b from the -n-order diffracted light emitted from the first optical element 21. In the present embodiment, −1st order diffracted light or −2nd order diffracted light is used as the −nth order diffracted light passing through the non-diffraction grating region 72b.

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。   The first detection unit 31, the second detection unit 32, an arithmetic circuit (not shown), and other configurations can adopt the same configurations as those in the first and second embodiments.

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。   As described above, non-interfering light can also be generated by providing a non-diffraction grating region in one of the optical elements constituting the diffraction grating pair. Thereby, the same effect as the first and second embodiments can be obtained.

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。
4). Other Various Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and other various embodiments can be realized.

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。   In each of the above embodiments, as the non-interfering light received by the second detectors 32, 82, and 132, -n-order diffracted light and-(n + 1) -order diffracted light generated on the negative side in the x direction are used. Of course, + n order diffracted light and + (n + 1) order diffracted light generated on the positive side in the x direction may be used.

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。   The 2nd detection part 32 concerning the above-mentioned embodiment was constituted by the 1st PD32A and the 2nd PD32B. However, the second detection unit may be configured by one PD that is not physically separated, and the one PD may have two detection regions.

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。   In the second detection units 32, 82, and 132 according to the above-described embodiment, the difference between the signals obtained by the first PD and the second PD is calculated. However, instead of calculating the difference, as a second detection unit, one PD (for example, one detection region) detects non-interfering light, and the arithmetic circuit is based on the signal obtained by the one detection region, An absolute position can also be calculated. In this case, the one PD may be arranged at one of the positions of the first PD 32A and the second PD 32B shown in FIG. In this case, the one PD may have the light shielding region described in the second embodiment.

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。   The arithmetic circuit 40 according to the above embodiment calculates the difference between the signals obtained by the first PD and the second PD of the second detectors 32, 82, and 132. However, instead of calculating the difference, the absolute position may be calculated by another algorithm using two signal values.

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。   The arrangement of the optical elements shown in FIG. 1 and the like may be any arrangement as long as the desired function can be exhibited. For example, a mirror may be provided in the middle of the light path, and the path may be bent. In addition, for example, the first PD and the second PD of the second detection units 32, 82, and 132 are not necessarily arranged in the x direction. For example, an optical element such as a mirror is interposed in the middle of the optical path. The arrangement direction may be a direction other than the x direction. In short, the arrangement of the first PD and the second PD may be in the direction in which the non-interfering light moves due to the relative movement of each optical element constituting the diffraction grating pair.

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。   In the above embodiment, the signal of the interference light 27 detected by the first detection unit 31 is a signal of only one phase. However, the displacement measuring apparatus may include, for example, a diffraction grating pair that generates a plurality of phases of interference light having different phases, and a first detection unit that has a plurality of detection regions for each of these interference lights. For example, as shown in FIG. 10, any one of the two optical elements constituting the diffraction grating pair may have a plurality of diffraction grating regions that are divided.

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。   In FIG. 10, three diffraction grating regions 122A, 122B, and 122C are provided in the y direction. In each of the regions 122A, 122B, and 122C, lattice lines 123 are provided that are shifted from each other by a predetermined distance along the measurement target direction (x direction). In each diffraction grating region 122A, 122B, 122C, the pitch of the grating lines 123 is the same. The deviation of the predetermined distance is set to be shorter than 1 pitch, for example, if the diffraction grating region is divided into n, it is set to be shorter than 1 / n of 1 pitch.

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。   When the diffraction grating region is divided into three parts, three-phase interference light is generated from the diffraction grating regions 122A, 122B, and 122C, respectively, so that the first detector can receive these interference light independently. It has three detection areas where each signal can be generated. In this case, the arrangement direction of the detection regions of the first detection unit is also set to the y direction, similarly to the arrangement direction of the diffraction grating regions 122A, 122B, and 122C of the optical element.

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。   As described above, since a plurality of phase signals are obtained from the first detection unit, displacement can be measured with a resolution shorter than one pitch. Also, the arithmetic circuit can determine the direction of displacement (in the figure, the positive or negative direction of the x direction) by obtaining a signal of a plurality of phases. Of course, it is not limited to three phases, and may be two phases or four or more phases.

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。   It is also possible to combine at least two feature portions among the feature portions of each embodiment described above.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Light source 20, 70 ... Diffraction grating pair 21 ... 1st optical element 21a, 22a, 123 ... Grating line 22 ... 2nd optical element 25c, 75 ... Non-interference light 27 ... Interference light 31 ... 1st detection part 32 ... 1st 2 detection parts 32A, 132A ... 1st PD
32B, 132B ... 2nd PD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ... Arithmetic circuit 42 ... Relative displacement calculation part 43 ... Difference calculation part 45 ... Absolute position calculation part 72 ... Optical element 72b ... Non-diffraction grating area | region 72a ... Diffraction grating area | region 83 ... Light reception area | region 84 ... Light-shielding area 85 ... Specific edge 100 ... Displacement measuring device 122 ... Optical element 122A, 122B, 122C ... Diffraction grating region

Claims (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。
A light source;
A diffraction grating pair configured by the first optical element and the second optical element, relatively movable, provided opposite to each other along the path of the light beam, and on which the light emitted from the light source is incident;
A first detector for detecting interference light caused by diffracted light respectively emitted from the first optical element and the second optical element;
A second detector for detecting non-interfering light emitted from the diffraction grating pair;
Relative displacement for calculating relative displacement of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the respective lattice lines of the first optical element and the second optical element based on the signal obtained by the first detection unit A calculation unit;
An absolute position calculation unit that calculates the absolute position of the other of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the respective lattice lines based on the signal obtained by the second detection unit. Displacement measuring device.
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。
The displacement measuring apparatus according to claim 1,
The first detection unit, when n is a natural number of 1 or more, + n-order diffracted light generated from the second optical element when + n-order diffracted light from the first optical element is incident on the second optical element; A displacement measuring device that detects interference light with + n-order diffracted light generated from the second optical element when -n-order diffracted light from the first optical element is incident on the second optical element.
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。
The displacement measuring device according to claim 1 or 2,
In the case where n is a natural number equal to or greater than 1, the second detection unit generates + (n + 1) -order diffracted light generated from the second optical element when + n-order diffracted light from the first optical element is incident on the second optical element. Displacement measuring device that detects.
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。
The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The second detection unit has a first detection region and a second detection region arranged in a direction in which the non-interfering light moves by relative movement of the first optical element and the second optical element,
The absolute position calculation unit calculates the absolute position based on signals obtained in the first detection region and the second detection region, respectively.
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。
The displacement measuring device according to claim 4,
The absolute position calculation unit calculates the absolute position based on a difference between signals obtained in the first detection region and the second detection region, respectively.
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。
The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The edge of the light receiving region of the second detection unit is not orthogonal to the moving direction in which the non-interfering light moves due to the relative movement of the first optical element and the second optical element, and is different from the moving direction. Displacement measuring device including a specific edge provided along.
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。
The displacement measuring device according to claim 6,
The second detection unit includes a light shielding region, and a specific edge of the light receiving region is a boundary line with the light shielding region.
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。
It is a displacement measuring device according to claim 4 or 5,
The edges of the light receiving areas of both the first detection area and the second detection area are not orthogonal to the moving direction in which the non-interfering light moves due to the relative movement of the first optical element and the second optical element, and A displacement measuring device including a specific edge provided along a direction different from the moving direction.
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。
The displacement measuring device according to claim 8,
The first detection region and the second detection region each have a light shielding region, and a specific edge of the light receiving region is a boundary line with the light shielding region.
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。
The displacement measuring apparatus according to claim 1,
Either one of the first optical element and the second optical element includes a diffraction grating region and a non-diffraction grating region,
The second detection unit detects light that has passed through the non-diffraction grating region as the non-interference light.
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。
A light source;
A diffraction grating pair configured by the first optical element and the second optical element, relatively movable, provided opposite to each other along the path of the light beam, and on which the light emitted from the light source is incident;
A displacement measuring method by a displacement measuring device comprising a detector for detecting light emitted from the diffraction grating pair,
Interference light caused by diffracted light respectively emitted from the first optical element and the second optical element is detected by the first detection unit among the detection units,
Non-interference light emitted from the diffraction grating pair is detected by a second detection unit among the detection units,
Based on the signal obtained by the first detection unit, the relative displacement of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of each lattice line of the first optical element and the second optical element is calculated,
A displacement measurement method that calculates the absolute position of the other of the first optical element and the second optical element with respect to one of the first optical element and the second optical element in the arrangement direction of the lattice lines based on the signal obtained by the second detection unit.
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