DE112006001713T5

DE112006001713T5 - Winkelmessvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE112006001713T5
Application number: DE112006001713T
Authority: DE
Inventors: Takashi Urashima; Kazumasa Takata; Tomotaka Furuta; Hidetoshi Utsuro
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP4593625B2; US7821626B2; CN101189488B; WO2007034824A1; JPWO2007034824A1; CN101189488A; DE112006001713B4; US20090231573A1

Abstract

Winkelmessvorrichtung mit
einer Lichtquelle;
einem Fotodetektor;
einer Kollimatorlinse zum Kollimieren von Licht, das von einer Lichtquelle entlang ihrer optischen Achse emittiert wird;
einem Transmissions-Beugungsgitter, das in der optischen Achse angeordnet ist, um das parallele Licht hindurch zu lassen und mehrere Lichtanteile verschiedener Ordnungen zu erzeugen;
einem optischen System zum Formen gebeugten Lichts, das von einer flachen Oberfläche eines Objektes an der Position reflektiert wird, die dem Transmissions-Beugungsgitter gegenüber liegt, in eine Abbildung auf dem Fotodetektor, nachdem das Licht das Transmissions-Beugungsgitter passiert hat; und
einer Rechenvorrichtung zum Berechnen eines Winkels des Objektes gegenüber der optischen Achse unter Benutzung eines Abbildungsortes auf dem Fotodetektor und der Ordnung des die Abbildung formenden Lichts.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Winkelmessvorrichtung und ein ein optisches System benutzendes Messverfahren für ein Objekt.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Als ein verwandtes Winkelmessverfahren, das ein optisches System benutzt, ist zum Beispiel ein optisches Hebelsystem zu nennen, das zum Messen eines Winkels die Neigung von Laserlicht benutzt. Dieses nutzt das Phänomen aus, dass beim Auftreffen von Laserlicht auf einen an einem Objekt befestigten Spiegel der Abweichungswinkel des reflektierten Lichts 2 θ wird, wenn der Spiegel um θ geneigt ist.
14 ist eine schematische Darstellung einer verwandten Winkelmessvorrichtung, die das optische Hebelsystem anwendet. In 14 wird das von einer Lichtquelle 501 emittierte Laserlicht von einem Strahlenteiler 502 reflektiert und danach durch eine Viertelwellenlängenplatte 503 übertragen, durch eine Kollimatorlinse 504 zu parallelem Licht geformt und einem Objekt 505 zugeführt. Das auf dem Objekt 505 reflektierte Licht wird durch die Kollimatorlinse 504 kondensiert, durch die Viertelwellenlängenplatte 503 und durch den Strahlenteiler 502 übertragen und als eine Abbildung auf einem Fotodetektor 506 abgebildet.
Mit dieser obigen Konstruktion wird der Winkel des Objektes 505 entsprechend dem Abbildungsort auf dem Fotodetektor 506 gemessen. Ist der Winkel zwischen der optischen Achse S der Kollimatorlinse 504 und dem Objekt 505 zum Beispiel Null, d. h. wenn der Abbildungsort vorher bekannt ist und wenn eine flache Ober fläche 505a des Objektes 505 im allgemeinen rechtwinklig zu der optischen Achse S liegt, dann wird der Winkel des Objektes 505 von einer gegenseitig relativen Beziehung zwischen dem Abbildungsort und der Messposition gemessen.
Ein solches Winkelmessverfahren nach dem optischen Hebelsystem ist ein Verfahren, wie es zu Beispiel in den japanischen Patentanmeldungspublikationen Nr. 2001-133232 und Nr. 2003-083731 offenbart ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Wird der Winkel des Objektes vergrößert, so hat die verwandte Konstruktion zur Folge, dass der Winkel nicht gemessen werden kann, weil das auf dem Objekt reflektierte Laserlicht nicht mehr auf den Fotodetektor fällt. Zum Beispiel ist es möglich, den Winkel zu messen, auch wenn sich dieser vergrößert, durch Vergrößern der bewegbaren Anzeige mit der Licht empfangenden Fläche eines vergrößerten Fotodetektors oder dadurch, dass der Fotodetektor bewegbar ist. Da die optische Vorrichtung jedoch eine Anzahl von Messmechanismen in der Nachbarschaft der optischen Elemente hat, wird ein Verfahren verlangt, das hierfür mit einem kleineren Mechanismus und einem Mechanismus mit einer kleineren Anzeige auskommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben beschrienen Lösungen zu verbessern. Für diese obigen Zwecke ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Winkelmessvorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Winkels des Objektes vorzuschlagen mit einem kleinen Mechanismus oder mit einem Mechanismus mit einer kleinen bewegbaren Anzeige hoher Auflösung innerhalb eines breiten Winkelbereiches beim Messen des Winkels des Objektes unter Benutzung eines optischen Systems.
Zur Lösung dieser Aufgaben ist die Erfindung wie folgt ausgebildet.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung vorgesehen mit
einer Lichtquelle;
einem Fotodetektor;
einer Kollimatorlinse zum Formen von Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, in Licht parallel zu ihrer optischen Achse;
einem Transmissions-Beugungsgitter, das auf der optischen Achse angeordnet ist, um das parallele Licht hindurch zu lassen und das Licht in mehrere Lichtanteile verschiedener Ordnungen zu beugen;
einem optischen System zum Formen gebeugten Lichts, das von einer flachen Oberfläche eines dem Transmissions-Beugungsgitter gegenüber angeordneten Objektes reflektiert wird, in eine Abbildung auf dem Fotodetektor, nachdem das Licht das Transmissions-Beugungsgitter passiert hat; und
mit einer Messvorrichtung zum Messen eines Winkels des Objektes gegenüber der optischen Achse auf der Basis eines Abbildungsortes auf dem Fotodetektor und der Ordnung des die Abbildung formenden Lichts.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im ersten Aspekt definiert, vorgesehen, die weiter gekennzeichnet ist durch
einen Rotator zum Rotieren des Objektes in der Weise, dass ein Winkel der flachen Oberfläche gegenüber der optischen Achse verändert wird; und
eine Steuereinrichtung, die die Ordnung spezifizierende Information hat, um eine durch den Rotator gegebene Rotationsposition des Objektes mit jeder Ordnung des gebeugten Lichts, das als Abbildung auf dem Fotodetektor erscheint, in Beziehung zu setzen, zwecks Spezifizierung der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts durch Rotations-Positionsinformation des Objektes und der die Ordnung spezifizierenden Information.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im zweiten Aspekt definiert, vorgesehen, bei der der Rotator ein Teil ist, das das Objekt entlang eines Kreisbogens bewegt, dessen Zentrum auf dem Transmissions-Beugungsgitter liegt.
Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im zweiten Aspekt definiert, vorgesehen, bei der der Rotator ein Teil ist, das das Objekt um einen Drehpunkt rotiert, der innerhalb des Objektes liegt.
Nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im ersten Aspekt definiert, vorgesehen, die weiter gekennzeichnet ist durch
ein Lichtabschirmglied mit einem lichtdurchlässigen Abschnitt, der zwischen der flachen Oberfläche des Objektes und dem Transmissions-Beugungsgitter angeordnet ist und einen lichtdurchlässigen Abschnitt aufweist, wobei das Lichtabschirmglied bewirkt, dass ein Teil der gebeugten Lichtanteil der Ordnungen den lichtdurchlässigen Abschnitt passiert und die anderen gebeugten Lichtanteile abgeschirmt werden;
einen Schieber zur Relativverschiebung des Lichtabschirmgliedes und des Transmissions-Beugungsgitters in eine Richtung, die die optische Achse schneidet; und
eine Steuereinrichtung, die die Ordnung spezifizierende Information hat, um eine durch den Schieber bewirkte Relativverschiebungsposition des Lichtabschirmgliedes mit jeder Ordnung des gebeugten Lichts, das als Abbildung auf dem Fotodetektor erscheint, in Beziehung zu setzen zwecks Spezifizierung der spezifischen Ordnung des gebeugten Lichts durch die Relativverschiebungspositionsinformation des Lichtabschirmgliedes und die die Ordnung spezifizierende Information.
Nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im fünften Aspekt definiert, vorgesehen, bei der der Schieber ein Teil ist, das das Lichtabschirmglied entlang eines Kreisbogens verschiebt, dessen Zentrum auf dem Transmissions-Beugungsgitter liegt.
Nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im fünften Aspekt definiert, vorgesehen, bei der der lichtdurchlässige Abschnitt des Lichtabschirmgliedes ein schlitzförmiger Öffnungsabschnitt ist, in dem ein Schlitz einer Breite geformt ist, die gleich einer Breite des parallelen Lichts ist, das durch das Transmissions-Beugungsgitter übertragen wird.
Nach einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung vorgesehen mit
einer Lichtquelle;
einem Fotodetektor;
einer Kollimatorlinse zum Formen von Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, in Licht parallel zu ihrer optischen Achse;
einem Reflexions-Beugungsgitter, das auf der optischen Achse angeordnet ist, und einer flachen Oberfläche auf einem Objekt, das der Kollimatorlinse gegenüber liegt, um das zugeführte parallele Licht zu reflektieren und das Licht in mehrerer Lichtanteile verschiedener Ordnungen zu beugen;
einem optischen System zum Formen des reflektierten, gebeugten Lichts auf dem Fotodetektor; und
einer Messvorrichtung zum Messen eines Winkels des Objektes gegenüber der optischen Achse auf der Basis eines Abbildungsortes auf dem Fotodetektor und der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts.
Nach einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Winkelmessvorrichtung, wie im ersten oder fünften Aspekt definiert, vorgesehen, die weiter gekennzeichnet ist durch
einen Winkelberechnungsabschnitt, in dem unter der Annahme, dass

f: die Brennweite der Kollimatorlinse ist,
λ: die Wellenlänge des von der Linse emittierten parallelen Lichts ist,
d: der Teilungsabstand der Nutenabschnitte des Beugungsgitters ist,
m: die spezifische Ordnung des gebeugten Lichts ist,
l: der Abstand zwischen der optischen Achse und dem Abbildungsort auf dem Fotodetektor ist, und

Nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren vorgesehen mit folgenden Schritten:
Aussenden von parallelem Licht durch ein Beugungsgitter und Beugen des Lichts in mehrere Lichtanteile verschiedener Ordnungen durch das Beugungsgitter;
Reflektieren des gebeugten Lichts auf einer flachen Oberfläche eines Objektes;
Veranlassen, dass das reflektierte, gebeugte Licht das Beugungsgitter passiert und dann das Licht zu einer Abbildung formt; und
Messen eines Winkels des Objektes gegenüber einer optischen Achse des paral lelen Lichts auf der Basis eines Abbildungsortes und der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts.
Nach einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren, wie im zehnten Aspekt definiert, vorgesehen, bei dem ein gebeugtes Licht nullter Ordnung als eine Abbildung in einem Zustand geformt wird, in dem die optische Achse und die flache Oberfläche des Objektes rechtwinklig zueinander angeordnet sind, dass danach die gebeugten Lichtanteile, deren Ordnungen nacheinander um eins erhöht werden, jeweils als eine Abbildung gebildet werden durch Relativverschiebung der flachen Oberfläche und des Beugungsgitters zueinander, um den Winkel der flachen Oberfläche gegenüber der optischen Achse zu verändern, wodurch die Ordnung spezifizierende Information erhalten wird, die eine Relativverschiebungsposition des Objektes mit jeder Ordnung des gebeugten, als Abbildung gebildeten Lichts in Beziehung setzt;
dass die Ordnung des gebeugten, als Abbildung gebildeten Lichts durch die die Ordnung spezifizierende Information und die Relativverschiebungspositionsinformation des Objektes spezifiziert wird; und dass der Winkel des Objektes unter Benutzung eines Abbildungsortes und der spezifizierten Ordnung gemessen wird.
Nach einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren, wie im elften Aspekt definiert, vorgesehen, bei dem die Relativverschiebung des Objektes gegenüber der optischen Achse darin besteht, dass das Objekt entlang eines kreisförmigen Bogens bewegt wird, dessen Zentrum auf dem Beugungsgitter liegt.
Nach einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren, wie im elften Aspekt definiert, vorgesehen, bei dem die Relativverschiebung des Objektes gegenüber der optischen Achse darin besteht, dass das Objekt um einen Drehpunkt rotiert wird, der innerhalb des Objektes liegt.
Nach einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren, wie im zehnten Aspekt definiert, vorgesehen, bei dem ein Lichtabschirmglied mit einem lichtdurchlässigen Abschnitt vorgesehen ist und zwischen der flachen Oberfläche des Objektes und dem Transmissions-Beugungsgitter angeordnet ist und einen lichtdurchlässigen Abschnitt aufweist, wobei das Lichtabschirmglied bewirkt, dass ein Teil der gebeugten Lichtanteil der Ordnungen den lichtdurchlässigen Abschnitt passiert und die anderen gebeugten Lichtanteile abgeschirmt werden, es wird gegenüber dem Beugungsgitter in eine Richtung bewegt, die die optische Achse bezüglich des Beugungsgitters schneidet, während nacheinander die gebeugten Lichtanteile der Ordnungen jeweils in eine Abbildung und die Ordnung spezifizierende Information geformt werden, die eine Relativverschiebungsposition des Lichtabschirmgliedes mit jeder Ordnung des gebeugten, als Abbildung zu bildenden Lichts in Beziehung setzen, und
dass die spezifische Ordnung des gebeugten Lichts durch die die Ordnung spezifizierende Information und die Relativverschiebungspositionsinformation des Lichtabschirmgliedes spezifiziert wird, und dass der Winkel des Objektes auf der Basis eines Abbildungsortes und der spezifizierten Ordnung gemessen wird.
Nach einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren, wie im vierzehnten Aspekt definiert, vorgesehen, bei dem die Relativverschiebung des Lichtabschirmgliedes gegenüber dem Beugungsgitter darin besteht, dass das Lichtabschirmglied entlang eines kreisförmigen Bogens bewegt wird, dessen Zentrum auf dem Beugungsgitter liegt.
Nach einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren vorgesehen mit folgenden Schritten:
Reflektieren von parallelem Licht, das einem auf einer flachen Oberfläche eines Objektes angeordneten Beugungsgitter zugeführt wird, und Beugen des Lichts in Lichtanteile verschiedener Ordnungen durch das Beugungsgitter;
Kondensieren des reflektierten, gebeugten Lichts und Formen des Lichts in eine Abbildung; und
Messen eines Winkels des Objektes gegenüber einer optischen Achse des parallelen Lichts auf der Basis eines Abbildungsortes des Lichts und der Ordnung des Lichts.
Nach einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Winkelmessverfahren, wie im zehnten oder sechzehnten Aspekt definiert, vorgesehen, bei dem das parallele Licht geformt wird und die Kondensation und Abbildungsformation des gebeugten Lichts der spezifizierten Ordnung durch Benutzung einer Kollimatorlinse durchgeführt wird, und dass unter der Annahme, dass

Mit der Winkelmessvorrichtung und dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bewirkt, dass das parallele Licht, das dem Objekt zugeführt wird, unter Benutzung des Beugungsgitters in gebeugte Lichtanteile verschiedener Ordnungen divergiert, und dass die divergierenden, gebeugten Lichtanteile dem Objekt zugeführt werden. Gleichzeitig werden die reflektierten Lichtanteile kondensiert und zu einer Abbildung geformt. Auch wenn das Objekt einen Winkel mit einem weiten Bereich aufweist, kann deshalb der Winkel des Objektes durch einen kleinen Mechanismus oder einen Mechanismus mit einer kleinen bewegbaren Anzeige gemessen werden. Während bei dem konventionellen optischen Hebelsystem der messbare Bereich innerhalb positiver und negativer Winkel von mehreren Minuten bis zu einigen Grad liegt, können die Winkelmessvorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Messungen innerhalb positiver und negativer Winkel von mehreren zig Grad durchführen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Beugungsgitters für die Winkelmessvorrichtung nach 1.
3A zeigt eine schematische Seitenansicht in der Ebene XZ der Winkelmessvorrichtung nach der ersten Ausführungsform.
3B zeigt eine schematische Seitenansicht in der Ebene YZ der Winkelmessvorrichtung nach der ersten Ausführungsform.
4 zeigt eine schematische Erläuterungsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem paralleles Licht durch ein Transmissions-Beugungsgitter der ersten Ausführungsform gebeugt wird.
5 zeigt eine schematische Erläuterungsansicht, die eine Beziehung zwischen dem gebeugten Licht und dem reflektierten Licht in der Winkelmessvorrichtung nach der ersten Ausführungsform zeigt.
6A zeigt eine schematische Seitenansicht in der Ebene XZ der Winkelmessvorrichtung nach einem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform.
6B zeigt eine schematische Seitenansicht in der Ebene YZ der Winkelmessvorrichtung nach dem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform.
7 zeigt eine schematische Erläuterungsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das reflektierte Licht durch das Transmissions-Beugungsgitter der ersten Ausführungsform erneut gebeugt wird.
8 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Transmissions-Beugungsgitter nach dem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform.
9 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung nach einem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform.
10 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12A zeigt eine schematische Seitenansicht in der Ebene XZ einer Winkelmessvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12B zeigt eine schematische Seitenansicht in der Ebene YZ der Winkelmessvorrichtung nach der vierten Ausführungsform.
13 zeigt eine schematische Erläuterungsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Drehschlitzteil in der Winkelmessvorrichtung nach der vierten Ausführungsform rotiert wird.
14 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer konventionellen Winkelmessvorrichtung.
Kurzbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Benutzung der Zeichnungen näher beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie 1 zeigt, enthält die Winkelmessvorrichtung 10 eine Lichtquelle 1, die Laserlicht emittiert, einen Strahlenteiler 2, der das Laserlicht so reflektiert, dass die Laserlichtemission entlang einer optischen Achse S gerichtet ist, eine Viertelwellenlängenplatte 3, die dem Strahlenteiler 2 benachbart auf der optischen Achse S angeordnet ist und das Laserlicht überträgt, und einen Fotodetektor 6, auf den das von einem Objekt 5 reflektierte Licht durch eine Kollimatorlinse 4 kondensiert und als eine Abbildung geformt wird. Darüber hinaus wird in 1 gezeigt, dass das Objekt 5 eine flache Oberfläche 5a hat, die gegenüber einem Transmissions-Beugungsgitter 7 oberhalb des Transmissions-Beugungsgitters 7 (in der Figur gesehen) auf der optischen Achse S angeordnet ist. Es wird bemerkt, dass die optische Achse S in der Mitte von beispielweise dem Strahlenteiler 2, der Viertelwellenlängenplatte 3, der Kollimatorlinse 4, dem Transmissions-Beugungsgitters 7 und dem Fotodetektors 6 verläuft, und die Komponenten so angeordnet sind, dass die optische Achse S im Allgemeinen rechtwinklig zu einer optischen Achse T der Laserlichtemission der Lichtquelle 1 verläuft. Die Winkelmessvorrichtung 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Messen des Anordnungswinkels des Objektes 5 gegenüber der optischen Achse S durch Messen des Winkels der flachen Oberfläche 5a auf dem Objekt 5.
2 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Transmissions-Beugungsgitters 7. Wie die 2 zeigt, ist das Transmissions-Beugungsgitter 7 allgemein von plattenförmiger Form, bei der lineare Nutenabschnitte 7a auf der gezeigten oberen Oberflächenseite ausgebildet sind, während die in der Darstellung untere Oberflächenseite im Allgemeinen flach ist. Darüber hinaus besteht das Transmissions-Beugungsgitters 7 aus lichtleitendem optischen Material und hat die Funktion, das übertragene Licht beim Passieren durch die Oberfläche jedes der Nutenabschnitte 7a in Lichtanteile verschiedener Ordnungen zu beugen. Wie 1 zeigt, ist das im Allgemeinen plattenförmige Transmissions-Beugungsgitters 7 so angeordnet, dass es im Allgemeinen rechtwinklig zu der optischen Achse S liegt, d. h. so, dass paralleles Licht von der Kollimatorlinse 4 im Allgemeinen rechtwinklig auf das Gitter trifft.
In der Winkelmessvorrichtung 10 der 1 mit der oben beschriebenen Konstruktion wird von der Lichtquelle 1 emittiertes Licht L1 durch den Strahlenteiler 2 so reflektiert, dass es entlang der optischen Achse S durch die Viertelwellenlängenplatte 3 (in der Figur) nach oben übertragen wird. Das durch die Viertelwellenlängenplatte 3 übertragene Licht wird durch die Kollimatorlinse 4 in paralleles Licht L2 umgewandelt und trifft auf das Transmissions-Beugungsgitter 7, das rechtwinklig zum parallelen Licht L2 angeordnet ist. Das parallele Licht L2 wird durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 in divergierende Lichtanteile D verschiedener Ordnungen gebeugt und der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 zugeführt. Obgleich der größere Teil der gebeugten Lichtanteile D, die von der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 reflektiert werden, streut, ohne auf das Transmissions-Beugungsgitter 7 zu treffen, trifft ein gebeugter Lichtanteil D mindestens einer Ordnung der von der flachen Fläche 5a des Objektes 5 reflektierten, gebeugten Lichtanteile D erneut auf das Transmissions-Beugungsgitter 7. Das Licht D wird durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 erneut gebeugt, durch die Kollimatorlinse 4 kondensiert, durch die Viertelwellenlängenplatte 3 und den Strahlenteiler 2 übertragen und als Abbildung auf dem Fotodetektor 6 geformt. Wie oben beschrieben wurde, wird bemerkt, dass ein optisches System W durch Anordnung der Komponenten in den beschriebenen Positionen zueinander entsteht, so dass das von der Lichtquelle 1 emittierte Laserlicht L1 schließlich zu dem gebeugten Licht D in der Form einer Abbildung auf dem Fotodetektor 6 geformt wird, und zwar über den Strahlenteiler 2, die Viertelwellenlängenplatte 3, die Kollimatorlinse 4, das Transmissions-Beugungsgitter 7, das Objekt 5, das Transmissions-Beugungsgitter 7, die Kollimatorlinse 4, die Viertelwellenlängenplatte 3 und den Strahlenteiler 2.
3A und 3B sind Ansichten, die in schematischer Weise mehr Details des Aufbaus der Winkelmessvorrichtung 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform zeigen, die wie oben beschrieben aufgebaut ist. 3A ist eine schematische Ansicht des Aufbaus, die die Ebene XZ der Winkelmessvorrichtung 10 zeigt, während 3B eine schematische Ansicht des Aufbaus in der Ebene YZ zeigt. Es wird bemerkt, dass die X-Achse die Y-Achse und die Z-Achse zueinander rechtwinklig angeordnet sind, und dass die optische Achse S entlang der Z-Achse verläuft.
Wie die 3A und 3B zeigen, enthält die Winkelmessvorrichtung 10 eine Halterung 15, die das Objekt 5 trägt. Die Halterung 15 weist einen Schaft 16 zum Tragen des Objektes 5 sowie einen Motor 17 auf, der den Neigungswinkel des Objektes 5 gegenüber der optischen Achse S (d. h. der Z-Achse) durch Rotieren des Schaftes 16 verändert. Wie in 3B zu sehen ist, ist die Drehachse des Schaftes entlang der Y-Achse angeordnet, um allgemein beispielsweise mit der Mitte des Transmissions-Beugungsgitters 7 zusammenzufallen. Darüber hinaus ist die Halterung 15 ein Beispiel des Rotators oder Schiebers.
Darüber hinaus zeigt 3B, dass die Winkelmessvorrichtung 10 einen Winkelberechnungsabschnitt 12 aufweist, der ein Beispiel für eine Messvorrichtung zum Berechnen des Winkels des Objektes 5 durch ein später noch zu beschreibendes Verfahren ist. In dem Winkelberechnungsabschnitt 12 werden zum Messen des Winkels Abbildungsortsinformationen aus dem gebeugten Licht, das als ein Abbild auf dem Fotodetektor 6 geformt ist, vom Fotodetektor 6 erhalten. Außerdem ist ein Speicherabschnitt 13 vorgesehen, der die Ordnung spezifizierende Informationen zum Spezifizieren der Ordnung des gebeugten Lichts speichert und hält, um eine Winkelberechnungsverarbeitung vorzunehmen, die später noch beschieben wird. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 9 vorgesehen, die das Zuführen von Laserlicht durch die Lichtquelle 1 und den Antrieb des Motors 17 des Halters 15 steuert.
Ein konkretes Beispiel mit den Maßen der Winkelmessvorrichtung 10, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben. Der Strahlenteiler 2 hat ein Maß von 20 mm in Richtung der X-Achse und ein Maß von 30 mm in Richtung der Z-Achse in 3A. Sowohl der Abstand zwischen der Lichtquelle 1 und dem Strahlenteiler 2 als auch der Abstand zwischen dem Fotodetektor 6 und dem Strahlenteiler 2 sind jeweils 10 mm. Der Abstand zwischen dem Fotodetektor 6 und der Kollimatorlinse 4 ist 300 mm. Der effektive Durchmesser der Kollimatorlinse 4 ist 10 mm und die Brennweite f der Kollimatorlinse 4 ist f = 300 mm. Der Abstand zwischen der Kollimatorlinse 4 und dem Transmissions-Beugungsgitter 7 ist 10 mm. Die Breite des Beugungsgitters 7 in Richtung der X-Achse ist 20 mm und die Teilung des Beugungsgitters 7, d. h. der Teilungsabstand der Nutenabschnitte 7a des Transmissions-Beugungsgitters 7 ist 37 μm. Der Abstand zwischen dem Transmissions-Beugungsgitter 7 und dem Objekt 5 ist 100 mm.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Berechnen des Winkels des Objektes 5 unter Benutzung der Informationen über den Abbildungsort auf dem Fotodetektor 6 in der Winkelmessvorrichtung 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform konkret beschrieben. Es wird bemerkt, dass die Berechnungsverarbeitung des Winkels durch den Winkelberechnungsabschnitt 12 durchgeführt wird, der für die Steuereinrichtung 9 vorgesehen ist. Für die Beschreibung ist eine schematische erläuternde Ansicht vorgesehen, die einen Zustand zeigt, in dem das parallele Licht durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 gebeugt wird, wie in 4 gezeigt.
Wie in 4 zu sehen ist, divergiert das parallele Licht L2 in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtanteilen D verschiedener Ordnungen, wenn das Laserlicht der Lichtquelle 1 als paralleles Licht L2 auf das Transmissions-Beugungsgitter 7 auftrifft. In diesem Fall kann der Winkel des gebeugten Lichtes Dm der m-ten Ordnung zu dieser Zeit durch die Gleichung (1) ausgedrückt werden. sin θm = m(λ/d) (m = 0, ±1, ±2, ...) (1)
In der Gleichung ist θ_m der Winkel des gebeugten Lichts m-ter Ordnung, λ ist die Wellenlänge des Laserlichts (paralleles Licht), d ist die Teilung des Transmissions-Beugungsgitters 7 und m ist eine ganze Zahl. Es wird bemerkt, dass das gebeugte Licht nullter Ordnung durch D₀, das gebeugte Licht erster Ordnung durch D₁, das gebeugte Licht zweiter Ordnung durch D₂, das gebeugte Licht negativer zweiter Ordnung durch D_–2 und das gebeugte Licht der m-ten Ordnung durch Dm in 4 ausgedrückt wird.
5 ist eine schematische erläuternde Ansicht, die die Beziehung zwischen dem auf das Objekt 5 auftreffenden Licht (gebeugtes Licht) und dem reflektierten Licht in der Winkelmessvorrichtung 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 5 zu sehen ist, ist unter der Annahme, dass der Winkel des auftreffenden Lichts D_m gleich θ_m ist, der Winkel des reflektierten Lichts D_m' gleich θ_m' und der Auftreffwinkel auf dem Objekt 5 gleich α ist, wenn gebeugtes Licht D_m m-ter Ordnung auf der flachen Oberfläche 5a des Objektes reflektiert wird, dann gilt die Beziehung: θ_m' – θ_m = 2α entsprechend der niedrigen Reflexion. Darüber hinaus gilt unter der Annahme, dass der Winkel des Objektes 5 gleich Φ ist, die Gleichung: Φ = θ_m + α. Durch Einsetzen der oben angegebenen Gleichung für α ergibt sich dann die Gleichung: Φ = (θ_m + θ_m')/2. In diesem Fall wird m durch Einstellen eines Zustandes erhalten, in dem die Ordnung m, gemessen wenn die optische Achse der Kollimatorlinse 4 und die flache Oberfläche 5a des Objektes 5 rechtwinklig zueinander sind, gleich 0 (Null) für den Nullpunktwert wird zum Zeitpunkt der Messung des Winkels zum Rotieren des Objektes 5 durch den Halter 15 und des dadurch erfolgenden aufeinanderfolgenden Zählens der aufeinanderfolgenden Ordnungen. Das heißt, durch Rotieren des Objektes durch den Halter 15 erhält man die Information der Rotationsposition des Objektes 5 durch den Halter 15, wenn das gebeugte Licht D_m jeder Ordnung als eine Abbildung auf dem Fotodetektor 6 geformt wird (z. B. als eine Abbildung in der Referenzposition des Fotodetektors 6). Als Resultat können die Ordnung m jedes gebeugten Lichtanteils und die Rotationspositionsinformation des Objektes 5 zueinander in Beziehung gesetzt werden. Die Informationsbeziehung, wie oben beschrieben, wird eine die Ordnung spezifizierende Information, die durch die Steuereinrichtung 9 vorbereitet wird und auf einfache Weise im Speicherabschnitt 13 gespeichert wird. Zum Beispiel kann durch Eingabe der Rotationspositionsinformation der Halterung 15, die das Objekt 5 haltert, in die Steuereinrichtung 9 beim Messen des Winkels des Objektes 5 und Auslesen der die Ordnung spezifizierenden Information, die mit der Rotationspositionsinformation über den Winkelberechnungsabschnitt 12 in Beziehung steht, aus dem Speicherabschnitt 13 die Ordnung des gebeugten Lichts, das als Abbildung auf dem Fotodetektor 6 abgebildet wird, spezifiziert werden.
Wenn der Drehpunkt des Objektes 5, d. h. der Drehpunkt der Halterung 15, in dem Beugungsgitter 7 der Winkelmessvorrichtung 10 nach 3B liegt, ergibt sich, dass das reflektierte Licht zuverlässig gemessen werden kann, wenn die flache Oberfläche 5a des Objektes 5 eine Breite von nicht weniger als 20 mm aufweist.
Im Gegensatz hierzu muss bei einer Konstruktion, bei der die Drehachse der Halterung 25 sich innerhalb des Objektes 5 befindet (d. h., wenn das Objekt 5 sich um seine eigene Achse dreht), wie in einer Winkelmessvorrichtung 20 entsprechend einem modifizierten Beispiel der vorliegenden ersten Ausführungsform nach den 6A und 6B, die flache Oberfläche 5a des Objektes 5 größer sein. Der Grund dafür ist, dass, wenn die flache Oberfläche 5a klein ist, es unmöglich wird, das gebeugte Licht D_m jeder Ordnung zuverlässig zu reflektie ren. 6A und 6B sind Ansichten, die denen der 3A und 3B entsprechen, und gleiche Komponenten sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht näher beschrieben.
7 ist eine schematische erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das vom Objekt 5 reflektierte Licht durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 in der Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform gebeugt wird.
Wie 7 zeigt, ist bei der Annahme, dass der Winkel des gebeugten Lichtanteils E_n n-ter Ordnung, der erzeugt wird, wenn das von dem Objekt 5 reflektierte Licht D_m' auf das Transmissionsbeugungsgitter 7 auftrifft, erneut gebeugt wird und dann Ψ_n ist, dann wird die Beziehung zwischen θ_m' und Ψ_n durch die folgende Gleichung ausgedrückt: sinθ_m' – sinΨ_n = n (λ/d). In diesem Fall muss, um die Messung in Anbetracht der Größe und der Brennweite des Fotodetektors 6 mit ausreichender Auflösung durchzuführen, das auf den Fotodetektor 6 auftreffende Laserlicht die folgenden Gleichungen erfüllen: Ψ_n ≈ 0 und θ_m' ≈ θ_m. Wenn die Beziehung und die oben angegebenen Gleichungen benutzt werden, gilt der Ausdruck: m ≈ n und n kann ermittelt werden. Unter der Annahme, dass die Brennweite der Kollimatorlinse 4 f ist und eine Abweichung von dem Nullpunkt (Position auf der optischen Achse S) des Abbildungsortes auf dem Fotodetektor 6 l ist, kann darüber hinaus Ψ_n durch die Gleichung: tanΨ_n = l/f erhalten werden.
Durch Koordinieren der oben angegebenen Gleichungen kann der Winkel Φ des Objektes 5 durch die Gleichung (2) gemessen werden. Φ = {sin–1(m(λ/d)) + sin–1 (m(λ/d) + sin(tan–1(l/f)))}/2 (2)
Wird angenommen, dass m = 0 in der oben angegeben Gleichung (2) ist, dann ergibt sich das gleiche Resultat wie bei dem konventionellen optischen Hebelsystem. Angenommen, dass die Position l des Fotodetektors 6 durch den Ausdruck: l_min ≤ l ≤ l_max ist, dann ergibt sich der Winkel Φ, der durch das konventionelle optische Hebelsystem messbar ist, aus der Gleichung (3): tan–1(lmin/f)/2 ≤ Φ ≤ tan–1(lmax/f)/2 (3)
Da die Winkelmessvorrichtung 10 gebeugtes Licht D_m bis zu der ± m-ten Ordnung benutzt, ergibt sich im Gegensatz zu Obigem der messbare Winkelbereich aus der Gleichung (4): {sin–1(–m(λ/d)) + sin–1(–m(λ/d) + sin(tan–1(lmin/f)))}/2 ≤ Φ ≤ {sin–1(m(λ/d)) + sin–1(m(λ/d) + sin(tan–1(lmax/f)))}/2 (4)
Deshalb kann die Winkelmessvorrichtung 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform einen Winkel in einem weiten Bereich messen, wie er bisher nicht durch das konventionelle optische Hebelsystem gemessen werden konnte, und zwar durch Benutzung des Transmissions-Beugungsgitters 7, wobei eine Auflösung äquivalent zu der des konventionellen optischen Hebelsystems aufrechterhalten wird. Darüber hinaus muss bei einer solchen Vorrichtungskonstruktion die Größe der Vorrichtung nicht erhöht werden, so dass eine kompakte Vorrichtung geschaffen werden kann.
In diesem Fall wird der Winkel des Objektes 5 unter Benutzung eines konkreten Zahlenbeispiels berechnet. Zum Beispiel wird ein Fall angenommen, bei dem das Laserlicht L1 eine Wellenlänge λ = 780 nm, ein Transmissions-Beugungsgitter 7 eine Teilung von d = 50 μm hat und eine Kollimatorlinse 4 mit einer Brennweite f = 0,5 mm benutzt wird. Das Ergebnis der Messung der Ordnung des von dem Fotodetektor 6 empfangenen Lichts ist der gebeugte Lichtanteil positiver dritter Ordnung, der als Abbildung in einer Position abgebildet wird, die durch l = 1 mm von der Position entfernt ist, in der der gebeugte Lichtanteil nullter Ordnung als Abbildung geformt wird. In diesem Fall erhält man nach der Gleichung (2) den Winkel Φ des Objektes 5 als 36,4706 Grad. Es wird bemerkt, dass die Ordnung des gebeugten Lichts durch Eingabe der Rotationspositionsinformation der Halterung 15 in die Steuereinrichtung 9 und Lesen der die Ordnung spezifizierenden Information, die sich auf die Rotationspositionsinformation bezieht, aus dem Speicherabschnitt 13 durch den Winkelberechnungsabschnitt 12 spezifiziert wird. Darüber hinaus berechnet der Winkelberechnungsabschnitt 12 den Winkel des Objektes 5 unter Benutzung der Gleichung (2) auf der Basis der Abbildungsortsinformation, die vom Fotodetektor 6 eingegeben wird, und der spezifizierten Ordnung.
Daher wird der Winkel des Objektes 5 als 36 Grad ermittelt, wenn die Gleichung (2) benutzt wird.
Es wird bemerkt, dass die Winkelmessvorrichtung 10 der vorliegenden ersten Ausführungsform nicht auf den oben beschriebenen Aufbau beschränkt ist, und dass verschiedene Modifikationsbeispiele betrachtet werden können.
Obgleich zum Beispiel der Fall beschrieben wurde, in dem das Objekt 5 um eine Y-Achse rotiert und sein Winkel gemessen wurde, ist es möglich, den Winkel auch in einem Fall zu messen, bei dem das Objekt 5 um die Y-Achse und um die X-Achse rotiert. Durch Ausrüsten der Winkelmessvorrichtung mit einem Beugungsgitter 27, in dem eine Mehrzahl von Nutenabschnitten 27a in Gitterform so ausgebildet sind, dass sie einander schneiden, wie in 8 gezeigt, anstelle des Transmissions-Beugungsgitters 7, in dem lineare Nutenabschnitte 7a in einer Richtung ausgebildet sind, wie in 2 zu sehen, kann der Winkel gemessen werden durch Benutzung der Beträge der Verschiebungen in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y-Achse des Abbildungsortes auf dem Fotodetektor 6.
Darüber hinaus kann in einer Winkelmessvorrichtung 30 nach einem Modifikationsbeispiel entsprechend der 9 eine Konstruktion angewendet werden, bei der ein Spiegel 39 eines optischen Reflexionsteils auf der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 angeordnet ist. Durch Anwendung der oben beschriebenen Konstruktion kann das gebeugte Licht durch die Benutzung des Spiegels 39 effektiv reflektiert werden, auch wenn die flache Oberfläche 5a des Objektes 5 nicht flach ist oder ein niedriges Reflexionsvermögen hat, und die Messung des Winkels des Objektes 5 wird möglich. Es wird bemerkt, dass eine solche Konstruktion die relative Positionsbeziehung zwischen dem Spiegel 39 und dem Objekt 5 umfassen muss. Es wird weiter bemerkt, dass dieselben Komponenten, wie sie für die Win kelmessvorrichtung 10 der 1 vorgesehen sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und nicht näher beschrieben werden.
(Zweite Ausführungsform)
10 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Winkelmessvorrichtung 40 der vorliegenden zweiten Ausführungsform nach 10 sind die Komponenten, die denen der Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform nach 1 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht näher beschrieben.
Wie 10 zeigt, verwendet die Winkelmessvorrichtung 40 ein Reflexions-Beugungsgitter 47 anstelle eines Beugungsgitters nach Transmissionsart. Das Reflexions-Beugungsgitter 47 ist darüber hinaus auf der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 angeordnet. Obgleich eine Halterung, die das Objekt 5 haltert und rotiert, für die Winkelmessvorrichtung 40 vorgesehen ist, wird die Halterung in 10 nicht gezeigt.
In der wie oben beschriebenen und in 10 gezeigten Winkelmessvorrichtung 40 wird von einer Lichtquelle 1 emittiertes Laserlicht L1 in einem Strahlungsteiler 2 reflektiert und über eine Viertelwellenlängenplatte 3 übertragen. Das durch die Viertelwellenlängenplatte 3 übertragene Laserlicht L1 wird durch eine Kollimatorlinse 4 in paralleles Licht L2 umgewandelt und trifft auf das Reflexions-Beugungsgitter 47, das auf dem Objekt 5 derart angeordnet ist, dass es sich entlang der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 erstreckt und auf der optischen Achse S liegt. Das parallele Licht L2 divergiert durch das Reflexions-Beugungsgitter 47 in gebeugte Lichtanteile D verschiedener Ordnungen, und die gebeugten Lichtanteile D werden reflektiert. Ein gebeugter Lichtanteil D mindestens einer Ordnung des reflektierten gebeugten Lichts D trifft auf die Kollimatorlinse 4. Das Licht wird dann durch die Kollimatorlinse 4 kondensiert, über die Viertelwellenlängenplatte 3 und den Strahlungsteiler 2 übertragen und auf dem Fotodetektor 6 als Abbildung geformt.
Konkrete Maße der Winkelmessvorrichtung 40 mit dem oben beschriebenen Aufbau werden in Verbindung mit 10 angegeben. Die Maße des Strahlungsteilers 2 sind 20 mm in Richtung der X-Achse und 30 mm in Richtung der Z-Achse der 10. Sowohl der Abstand zwischen der Lichtquelle 1 und dem Strahlungsteiler 2 als auch der Abstand zwischen dem Fotodetektor 6 und dem Strahlungsteiler 2 ist jeweils 10 mm. Der Abstand zwischen dem Fotodetektor 6 und der Kollimatorlinse 4 ist 300 mm. Der effektive Durchmesser der Kollimatorlinse 4 ist 10 mm und die Brennweite der Kollimatorlinse 4 ist f = 300 mm. Die Breite des Reflexions-Beugungsgitters 47 in Richtung der X-Achse ist 20 mm und die Teilung des Beugungsgitters 47 ist 37 μm. Der Abstand zwischen der Kollimatorlinse 4 und dem Beugungsgitter 47 ist 100 mm.
Obgleich es möglich ist, dass Streulicht erzeugt wird, weil bei der Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform die Beugung zweimal durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 hindurch erfolgt und das Licht dann auf den Fotodetektor 6 trifft, erfolgt die Beugung durch Benutzung des Reflexions-Beugungsgitters 47 in der Winkelmessvorrichtung 40 der vorliegenden zweiten Ausführungsform einmal. Daher ist die Möglichkeit des Auftreffens von Streulicht auf den Fotodetektor 6 niedriger als bei der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform, und die Häufigkeit der Beugung kann reduziert werden. Aus diesem Grunde kann die Intensität des von der Lichtquelle 1 emittierten Laserlichts reduziert werden, was eine Energieeinsparung und eine Kostenverringerung für die Vorrichtung bedeutet. Darüber hinaus kann die Winkelmessvorrichtung 40 das reflektierte Licht gleichmäßig in einer identischen Position des Objektes 5 messen, obwohl die Ordnung unterschiedlich ist. Deshalb kann, auch wenn die Oberfläche des Objektes nicht gleichmäßig ist, der Winkel genau gemessen werden. In diesem Fall muss der Drehpunkt des Objektes 5 sich jedoch innerhalb des Objektes 5 befinden. Da andererseits das Reflexions-Beugungsgitter 47 auf dem Objekt 5 der Vorrichtung 40 der vorliegenden zweiten Ausführungsform angeordnet sein muss, kommt es manchmal vor, dass das Reflexions-Beugungsgitter 47 nicht angeordnet werden kann, und zwar hängt das vom Material der Oberfläche des Objektes 5 ab. In einem solchen Fall sollte die Konstruktion der Vorrichtung 10 der ersten Ausführungsform vorzugsweise angewendet werden.
(Dritte Ausführungsform)
11 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung 50 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Winkelmessvorrichtung 50 der vorliegenden dritten Ausführungsform der 11 sind die Komponenten, die denen der Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform nach 1 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht näher beschrieben.
Wie in 11 gezeigt, hat die Winkelmessvorrichtung 50 ein bewegliches Schlitzglied 58, das ein Beispiel für das Lichtabschirmglied ist, in dem ein Schlitzabschnitt (schlitzförmiger Öffnungsabschnitt) 58a eines Lichtdurchlassabschnitts gebildet ist. Eine Funktion des beweglichen Schlitzgliedes 58 ist es, den Durchlass von gebeugtem Licht zu begrenzen, indem ein definierter gebeugter Lichtanteil durch den Schlitzabschnitt 58a hindurchgelassen wird und die anderen gebeugten Lichtanteile abgesperrt werden, ohne dass die gebeugten Lichtanteile an die Peripherie gelangen. Darüber hinaus kann das bewegliche Schlitzglied 58 in Richtung der dargestellten X-Achse durch einen Schieber (nicht gezeigt) verschoben werden, und veranlasst, dass das gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung selektiv durchgelassen wird, und zwar durch Ändern der relativen Positionsbeziehung zwischen dem Schlitzabschnitt 58a und dem Transmissions-Beugungsgitter 7 durch die oben beschriebene Verschiebung.
Bei der Winkelmessvorrichtung 50 dieses in 7 gezeigten Aufbaus wird das von der Lichtquelle 1 emittierte Laserlicht L1 auf den Strahlungsteiler 2 reflektiert und durch die Viertelwellenlängenplatte 3 übertragen. Das durch die Viertelwellenlängenplatte 3 übertragene Licht L1 wird durch die Kollimatorlinse 4 in paralleles Licht L2 umgewandelt und trifft auf das Transmissions-Beugungsgitter 7, das so angeordnet ist, dass es rechtwinklig zum parallelen Licht L2 liegt. Das paralle le Licht L2 divergiert durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 in gebeugte Lichtanteile D verschiedener Ordnungen. Anschließend trifft das gebeugte Licht D auf das bewegliche Schlitzglied 58, das in einer Position angeordnet ist, die von dem Transmissions-Beugungsgitter 7 soweit entfernt ist, dass die gebeugten Lichtanteile D der Ordnungen sich nicht gegenseitig stören. Nur die Lichtanteile des gebeugten Lichts D, die durch den in dem beweglichen Schlitzglied 58 gebildeten Schlitzabschnitt 58a hindurchgegangen sind, gelangen auf die flache Oberfläche 5a des Objektes 5. Der größere Teil des gebeugten Lichts, das von der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 reflektiert wurde, wird gestreut, ohne auf das Transmissions-Beugungsgitter 7 aufzutreffen. Jedoch der Lichtanteil mindestens einer Ordnung des von der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 reflektierten gebeugten Lichts D trifft erneut auf das Transmissions-Beugungsgitter 7 auf, nachdem es den Schlitzabschnitt 58a passiert hat. Das Licht wird erneut durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 gebeugt, durch die Kollimatorlinse 4 kondensiert, durch die Viertelwellenlängenplatte 3 und den Strahlungsteiler 2 übertragen und als Abbildung auf dem Fotodetektor 6 geformt.
Gemäß der Winkelmessvorrichtung 50 der vorliegenden dritten Ausführungsform wird die Vorrichtung kompliziert, weil der bewegliche Mechanismus zu der Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform hinzugefügt wurde. Wenn jedoch die Beziehung zwischen der Position des Schlitzabschnitts 58a des beweglichen Schlitzgliedes 58 und der Ordnung des gebeugten Lichts, d. h. die die Ordnung spezifizierende Information, auf vorbereitete Weise erhalten wird, kann das auf den Fotodetektor 6 auftreffende Licht unter den Lichtanteilen, die durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 gebeugt werden, durch Verschieben des beweglichen Schlitzgliedes 58 in einer Richtung rechtwinklig zu der optischen Achse S spezifiziert werden, und der Winkel kann gemessen werden, ohne die Ordnung des gebeugten Lichts aus der spezifizierten Ordnung zu zählen. Durch das vorbereitete Erzeugen und Erhalten der die Ordnung spezifizierenden Information, die die Position des Schlitzabschnittes 58a mit der Ordnung des gebeugten Lichts in Beziehung setzt, kann die Ordnung ohne weitere Bewegung des Objektes 5 spezifiziert werden.
Darüber hinaus kann anstelle des beweglichen Schlitzgliedes 58 und des Schiebers, der das bewegliche Schlitzglied 58 verschiebt, ein Flüssigkristallelement benutzt werden. Das Flüssigkristallelement ist in der Lage, elektrisch eine Region zu bilden, die Licht passieren lässt, und eine Region, die Licht nicht passieren lässt, und die Regionen an den gewünschten Stellen zu formen. Die Benutzung eines solchen Flüssigkristallelements vermeidet die Notwendigkeit eines Schiebers oder dergleichen und erlaubt eine Vorrichtungskonstruktion, die einfacher und von der Größe her kleiner ist.
(Vierte Ausführungsform)
12A und 12B sind schematische Ansichten des Aufbaus einer Winkelmessvorrichtung 60 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und entsprechen den 3A und 3B, die die Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform zeigen. In der Winkelmessvorrichtung 60 der vorliegenden vierten Ausführungsform der 12A und 12B sind die Komponenten, die denen der Winkelmessvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform der 3A und 3B gleichen, mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht näher beschrieben.
Wie die 12A und 12B zeigen, enthält die Winkelmessvorrichtung 60 ein Lichtabschirmglied mit einem Schlitzabschnitt 62a, das zwischen dem Transmissions-Beugungsgitter 7 und dem Objekt 5 als ein rotierendes Schlitzglied 62 angeordnet ist und rotiert werden kann. Das rotierende Schlitzglied 62 wird durch einen Rotator 63 um die Drehachse, die mit der Mitte des Transmissions-Beugungsgitters 7 übereinstimmt, in Rotation versetzt. Durch Verdrehen des rotierenden Schlitzgliedes 62 kann ein gebeugter Lichtanteil bestimmter Ordnung aus den durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 gebeugten Lichtanteilen selektiv durchgelassen werden.
13 ist eine schematische, erläuternde Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem durch Verdrehen des drehbaren Schlitzgliedes 62 in der wie oben beschrie ben aufgebauten Winkelmessvorrichtung 60 nur gebeugtes Licht einer bestimmten Ordnung durchgelassen wird. In 13 wird das von der Lichtquelle 1 emittierte Laserlicht L1 durch den Strahlungsteiler 2 reflektiert und durch die Viertelwellenlängenplatte 3 übertragen. Das durch die Viertelwellenlängenplatte 3 übertragene Licht L1 wird durch die Kollimatorlinse 4 in paralleles Licht L2 umgewandelt und trifft auf das Transmissions-Beugungsgitter 7, das rechtwinklig zum parallelen Licht L2 angeordnet ist. Das parallele Licht L2 divergiert mittels des Transmissions-Beugungsgitters 7 in gebeugte Lichtanteile D verschiedener Ordnungen. Anschließend fällt das gebeugte Licht D auf das drehbare Schlitzglied 62, das an einer Position angeordnet ist, die von dem Transmissions-Beugungsgitter 7 in einem Abstand angeordnet ist, dass die gebeugten Lichtanteile D der Ordnungen sich nicht gegenseitig stören. Aus den gebeugten Lichtanteilen D der verschiedenen Ordnungen wird nur der Lichtanteil auf die flache Oberfläche 5a des Objektes 5 geworfen, der den Schlitzabschnitt 62a des rotierenden Schlitzgliedes 62 passiert hat. Obgleich der größere Teil des gebeugten Lichts, der von der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 reflektiert wurde, streut, ohne auf das Transmissions-Beugungsgitter 7 aufzutreffen, wird das Licht mindestens einer Ordnung des von der flachen Oberfläche 5a des Objektes 5 reflektierten und gebeugten Lichts D erneut auf das Transmissions-Beugungsgitter 7 auftreffen, nachdem es den Schlitzabschnitt 62a passiert hat. Das Licht wird erneut durch das Transmissions-Beugungsgitter 7 gebeugt, durch die Kollimatorlinse 4 kondensiert, durch die Viertelwellenlängenplatte 3 und den Strahlungsteiler 2 übertragen und als Abbildung auf dem Fotodetektor 6 geformt.
In diesem Fall wird das rotierende Schlitzglied 62 durch den Rotator 63 in einer Weise rotiert, das ein geometrischer Ort eines Kreisbogens um das Transmissions-Beugungsgitter 7 als Drehpunkt gezeichnet ist. Durch dieses Rotieren des rotierenden Schlitzgliedes 62 kann das Passieren und Abschirmen des gebeugten Lichts effektiv durchgeführt werden. Es wird bemerkt, dass die Ausbildungsbreite des Schlitzabschnitts 62a, wie oben beschrieben, zweckmäßigerweise mit solchen Abmessungen ausgebildet sein sollte, die etwa gleich der Breite des parallelen Lichts sind, das das Transmissions-Beugungsgitter 7 passiert.
Durch vorbereitendes Erzielen der die Ordnung spezifizierenden Information, die die durch den Rotator 63 hervorgerufene Rotationsposition des rotierenden Schlitzgliedes 62 mit der Ordnung des gebeugten Lichts, das den Schlitzabschnitt 62a passiert, in Beziehung setzt und durch Speichern der Information in der Steuereinrichtung 9, wird die Ordnung des gebeugten Lichts, das als Abbildung auf dem Fotodetektor 6 geformt wird, spezifiziert, ohne dass das Objekt 5 bewegt wird.
Auch wenn sich der Winkel des Objektes in einem weiten Bereich ändert, können die Winkelmessvorrichtung und das Messverfahren nach der vorliegenden Erfindung den Winkel ohne Verschlechterung der Auflösung messen, indem ein kleiner Mechanismus oder ein Mechanismus mit einer kleinen beweglichen Anzeige verwendet wird. Die Winkelmesstechnik, wie sie oben beschrieben wurde, kann zum Beispiel auf eine Vorrichtung zum Messen des Winkels einer optischen Scheibe (optical disk) angewendet werden, bei der möglicherweise Positionsabweichungen in der Oberflächenposition auftreten können.
Es wird bemerkt, dass durch geeignetes Kombinieren der herausgegriffenen Ausführungsformen der vorerwähnten verschiedenen Ausführungsformen die mit ihnen erzielten Wirkungen erzeugt werden können.
Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben wurde, wird bemerkt, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind. Solche Änderungen und Modifikationen sollen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, eingeschlossen sein, es sei denn, sie weichen von diesen ab.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-273314 , angemeldet am 21. September 2005, einschließlich Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüchen, ist hiermit durch Bezug in ihrer Gesamtheit eingeschlossen.
Zusammenfassung
Von einer Kollimatorlinse kommendes Licht wird über ein Transmissions-Beugungsgitter in Lichtanteile verschiedener Ordnungen umgewandelt. Das gebeugte Licht wird einer flachen Oberfläche eines Objektes zugeführt. Das von der flachen Oberfläche des Objektes reflektierte Licht wird geformt und anschließend durch das Transmissions-Beugungsgitter zu einer Abbildung an eine Position zurückübertragen, die von der optischen Achse des hinausgehenden Lichts entfernt ist. Anschließend wird der Winkel des Objektes gegenüber der optischen Achse der Kollimatorlinse gemessen unter Benutzung des Abbildungsortes und der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts. Der Winkel kann in einem weiten Bereich mit hoher Auflösung gemessen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2001-133232 [0005]
- JP 2003-083731 [0005]
- JP 2005-273314 [0091]

Claims

Winkelmessvorrichtung mit einer Lichtquelle; einem Fotodetektor; einer Kollimatorlinse zum Kollimieren von Licht, das von einer Lichtquelle entlang ihrer optischen Achse emittiert wird; einem Transmissions-Beugungsgitter, das in der optischen Achse angeordnet ist, um das parallele Licht hindurch zu lassen und mehrere Lichtanteile verschiedener Ordnungen zu erzeugen; einem optischen System zum Formen gebeugten Lichts, das von einer flachen Oberfläche eines Objektes an der Position reflektiert wird, die dem Transmissions-Beugungsgitter gegenüber liegt, in eine Abbildung auf dem Fotodetektor, nachdem das Licht das Transmissions-Beugungsgitter passiert hat; und einer Rechenvorrichtung zum Berechnen eines Winkels des Objektes gegenüber der optischen Achse unter Benutzung eines Abbildungsortes auf dem Fotodetektor und der Ordnung des die Abbildung formenden Lichts.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch einen Rotator zum Rotieren des Objektes in der Weise, dass ein Winkel der flachen Oberfläche gegenüber der optischen Achse verändert wird; und eine Steuereinrichtung, die die Ordnung spezifizierende Information hat, um eine durch den Rotator gegebene Rotationsposition des Objektes mit jeder Ordnung des gebeugten Lichts, das als Abbildung auf dem Fotodetektor erscheint, in Beziehung zu setzen zwecks Spezifizierung der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts durch Rotations-Positionsinformation des Objektes und der die Ordnung spezifizierenden Information.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotator ein Teil ist, das das Objekt entlang eines Kreisbogens bewegt, dessen Zentrum auf dem Transmissions-Beugungsgitter liegt.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotator ein Teil ist, das das Objekt um einen Drehpunkt rotiert, der innerhalb des Objektes liegt.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch ein Lichtabschirmglied mit einem lichtdurchlässigen Abschnitt, der zwischen der flachen Oberfläche des Objektes und dem Transmissions-Beugungsgitter angeordnet ist und einen lichtdurchlässigen Abschnitt aufweist, wobei das Lichtabschirmglied bewirkt, dass ein Teil der gebeugten Lichtanteile der Ordnungen den lichtdurchlässigen Abschnitt passiert und die anderen gebeugten Lichtanteile abgeschirmt werden; einen Schieber zur Relativverschiebung des Lichtabschirmgliedes und des Transmissions-Beugungsgitters in einer Richtung, die die optische Achse schneidet; und eine Steuereinrichtung, die die Ordnung spezifizierende Information hat, um eine durch den Schieber bewirkte Relativverschiebungsposition des Lichtabschirmgliedes mit jeder Ordnung des gebeugten Lichts, das als Abbildung auf dem Fotodetektor erscheint, in Beziehung zu setzen zwecks Spezifizierung der spezifischen Ordnung des gebeugten Lichts durch die Relativverschiebungspositionsinformation des Lichtabschirmgliedes und die die Ordnung spezifizierende Information.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber ein Teil ist, das das Lichtabschirmglied entlang eines Kreisbogens verschiebt, dessen Zentrum auf dem Transmissions-Beugungsgitter liegt.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtdurchlässige Abschnitt des Lichtabschirmgliedes ein schlitzförmiger Öffnungsabschnitt ist, in dem ein Schlitz einer Breite geformt ist, die gleich einer Breite des parallelen Lichts ist, das durch das Transmissions-Beugungsgitter übertragen wird.
Winkelmessvorrichtung mit einer Lichtquelle; einem Fotodetektor; einer Kollimatorlinse zum Kollimieren von Licht, das von einer Lichtquelle entlang ihrer optischen Achse emittiert wird; einem Reflexions-Beugungsgitter, das auf der optischen Achse angeordnet ist, und einer flachen Oberfläche auf einem Objekt an der Position, die der Kollima torlinse gegenüber liegt, um das zugeführte parallele Licht zu reflektieren durch Erzeugen mehrerer Lichtanteile verschiedener Ordnungen; einem optischen System zum Formen des reflektierten, gebeugten Lichts auf dem Fotodetektor; und einer Rechenvorrichtung zum Berechnen eines Winkels des Objektes gegenüber der optischen Achse unter Benutzung eines Abbildungsortes auf dem Fotodetektor und der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts.
Winkelmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, weiter gekennzeichnet durch einen Winkelberechnungsabschnitt, in dem unter der Annahme, dass f die Brennweite der Kollimatorlinse ist, λ die Wellenlänge des von der Linse emittierten parallelen Lichts ist, d der Teilungsabstand der Nutenabschnitte des Beugungsgitters ist, m die spezifische Ordnung des gebeugten Lichts ist, l der Abstand zwischen der optischen Achse und dem Abbildungsort auf dem Fotodetektor ist, und dann der Winkel Φ des Objektes gegenüber der optischen Achse der Linse durch die folgende Gleichung berechnet wird:
Winkelmessverfahren mit folgenden Schritten: Aussenden von parallelem Licht durch ein Beugungsgitter und Erzeugen mehrerer Lichtanteile verschiedener Ordnungen durch das Beugungsgitter; Reflektieren des gebeugten Lichts auf einer flachen Oberfläche eines Objektes; Veranlassen, dass das reflektierte, gebeugte Licht das Beugungsgitter passiert und dann das Licht zu einer Abbildung formt; und Berechnen eines Winkels des Objektes gegenüber einer optischen Achse des parallelen Lichts unter Benutzung eines Abbildungsortes und der Ordnung des als Abbildung geformten Lichts.
Winkelmessverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein gebeugtes Licht nullter Ordnung als die Abbildung in einem Zustand kollimiert wird, in dem die optische Achse und die flache Oberfläche des Objektes recht winklig zueinander angeordnet sind, dass danach die gebeugten Lichtanteile, deren Ordnungen nacheinander um eins erhöht werden, jeweils als die Abbildung gebildet werden durch Relativverschiebung der flachen Oberfläche und des Beugungsgitters zueinander, um den Winkel der flachen Oberfläche gegenüber der optischen Achse zu verändern, wodurch die Ordnung spezifizierende Information erhalten wird, die eine Relativverschiebungsposition des Objektes mit jeder Ordnung des gebeugten, als Abbildung gebildeten Lichts in Beziehung setzt; dass die Ordnung des gebeugten, als Abbildung gebildeten Lichts durch die die Ordnung spezifizierende Information und die Relativverschiebungspositionsinformation des Objektes spezifiziert wird; und dass der Winkel des Objektes unter Benutzung eines Abbildungsortes und der spezifizierten Ordnung gemessen wird.
Winkelmessverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativverschiebung des Objektes gegenüber der optischen Achse darin besteht, dass das Objekt entlang eines kreisförmigen Bogens bewegt wird, dessen Zentrum auf dem Beugungsgitter liegt.
Winkelmessverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativverschiebung des Objektes gegenüber der optischen Achse darin besteht, dass das Objekt um einen Drehpunkt rotiert wird, der innerhalb des Objektes liegt.
Winkelmessverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtabschirmglied mit einem lichtdurchlässigen Abschnitt vorgesehen sind und zwischen der flachen Oberfläche des Objektes und dem Transmissions-Beugungsgitter angeordnet ist und einen lichtdurchlässigen Abschnitt aufweist, wobei das Lichtabschirmglied bewirkt, dass ein Teil der gebeugten Lichtanteile der Ordnungen den lichtdurchlässigen Abschnitt passiert und die anderen gebeugten Lichtanteile abgeschirmt werden, gegenüber dem Beugungsgitter in eine Richtung bewegt wird, die bezüglich des Beugungsgitters die optische Achse schneidet, während nacheinander die gebeugten Lichtanteile der Ordnungen jeweils in eine Abbildung und zur Ordnung spezifizierenden Information geformt werden, die eine Relativverschiebungsposition des Lichtabschirmgliedes mit je der Ordnung des gebeugten, als Abbildung zu bildenden Lichts in Beziehung setzen, und dass die spezifische Ordnung des gebeugten Lichts durch die die Ordnung spezifizierende Information und die Relativverschiebungspositionsinformation des Lichtabschirmgliedes spezifiziert wird, und dass der Winkel des Objektes auf der Basis eines Abbildungsortes und der spezifizierten Ordnung berechnet wird.
Winkelmessverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativverschiebung des Lichtabschirmgliedes gegenüber dem Beugungsgitter darin besteht, dass das Lichtabschirmglied entlang eines kreisförmigen Bogens bewegt wird, dessen Zentrum auf dem Beugungsgitter liegt.
Winkelmessverfahren mit folgenden Schritten: Reflektieren von parallelem Licht, das einem auf einer flachen Oberfläche eines Objektes angeordneten Beugungsgitter zugeführt wird, und Beugen des Lichts in Lichtanteile verschiedener Ordnungen durch das Beugungsgitter; Fokussieren des reflektierten, gebeugten Lichts und Formen des Lichts in eine Abbildung; und Berechnen eines Winkels des Objektes gegenüber einer optischen Achse des parallelen Lichts auf der Basis eines Abbildungsortes des Lichts und der Ordnung des Lichts.
Winkelmessverfahren nach Anspruch 10 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das parallele Licht geformt wird und die Kondensation und Abbildungsformation des gebeugten Lichts der spezifizierten Ordnung durch Benutzung einer Kollima torlinse durchgeführt wird, und dass unter der Annahme, dass f die Brennweite der Kollimatorlinse ist, λ die Wellenlänge des von der Linse emittierten parallelen Lichts ist, d der Teilungsabstand der Nutenabschnitte des Beugungsgitters ist, m die spezifische Ordnung des gebeugten Lichts ist, l der Abstand zwischen der optischen Achse und dem Abbildungsort auf dem Fotodetektor ist, und dann der Winkel Φ des Objektes gegenüber der optischen Achse durch die folgende Gleichung berechnet wird: