JP2017133892A - Rotation angle detector and rotation angle detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザーオートコリメーション法に基づく回転角度検出装置および回転角度検出方法に関するものである。 The present invention relates to a rotation angle detection device and a rotation angle detection method based on a laser autocollimation method.
機械加工の超精密化および多軸化の進展に伴い、ワーク−ツール間の相対的位置決めの高精度化が重要な課題となってきている。その際、位置決めに用いる変位検出センサの高精度化はもとより、ワークやツールの姿勢角変化を高精度に検出する手段も必要不可欠である。特に工作機械においては、その構造からくる物理的制約により、変位・姿勢角検出用センサの搭載が容易ではないことが多く、加工機上で容易に測定ができる小型のセンサが好まれる。 With the progress of ultra-precision machining and multi-axis machining, it is important to improve the relative positioning between workpiece and tool. At that time, not only high accuracy of the displacement detection sensor used for positioning, but also means for detecting the change in the posture angle of the workpiece or tool with high accuracy is indispensable. In particular, machine tools are often not easily mounted with displacement / posture angle detection sensors due to physical limitations due to their structure, and small sensors that can be easily measured on a processing machine are preferred.
従来、ワークもしくはツールを搭載するステージあるいは移動スライドの位置検出には、レーザー干渉計またはリニアエンコーダが用いられている（例えば、非特許文献１）。レーザー干渉計は、長ストロークに渡る測定が可能であるが、構造からくる物理的制約のため、工作機械においてはレーザー干渉計のレーザービームを取りまわすための光学部品の配置が困難であることが多い。その一方で、リニアエンコーダは、エンコーダスケールをスライド側面に搭載し、小型の光学センサヘッドを搭載すれば高精度な位置検出が可能であり、かつ工場などの厳しい環境においても良いロバスト性を有することから、近年ではリニアエンコーダが位置検出センサとして好まれる傾向にある。 Conventionally, a laser interferometer or a linear encoder has been used to detect the position of a stage or moving slide on which a workpiece or tool is mounted (for example, Non-Patent Document 1). Laser interferometers can be measured over long strokes, but due to physical limitations from the structure, it may be difficult to place optical components around the laser beam of a laser interferometer on a machine tool. Many. On the other hand, linear encoders must have an encoder scale on the slide side and a small optical sensor head to enable highly accurate position detection and have good robustness even in harsh environments such as factories. Therefore, in recent years, linear encoders tend to be preferred as position detection sensors.
その一方で、リニアエンコーダをスライドの位置検出センサとして用いる場合、構造からくる物理的制約により、スライドの運動軸とリニアエンコーダの測定軸とを一致させることは容易ではなく、それらの軸間には一定量の物理的オフセットが存在する。スライドが運動軸に沿って姿勢誤差なしに直線運動する理想的な場合には、この物理的オフセットは問題とならない。その一方で、実際の工作機械においては、スライドが直線運動する際には必ず微小な姿勢角誤差が発生し、この姿勢角誤差と、運動軸−センサ測定軸間オフセットによる位置決め誤差であるアッベ誤差とが発生する（例えば、非特許文献２参照）。スライド運動時の姿勢誤差は、スライド案内面の精度を向上することである程度は低減可能であるが、完全にその影響をなくすことは出来ず、ナノメートル、サブナノメートル級の超精密位置決めを実現したい場合には、スライド運動時の微小な姿勢角誤差を高精度な角度センサで検出する必要がある。 On the other hand, when using a linear encoder as a slide position detection sensor, it is not easy to match the slide motion axis with the linear encoder measurement axis due to the physical constraints of the structure. There is a certain amount of physical offset. In the ideal case where the slide moves linearly along the axis of motion without attitude error, this physical offset is not a problem. On the other hand, in an actual machine tool, a slight attitude angle error always occurs when the slide moves linearly, and this attitude angle error and Abbe error, which is a positioning error due to the offset between the movement axis and the sensor measurement axis, occur. (For example, see Non-Patent Document 2). Posture error during slide movement can be reduced to some extent by improving the accuracy of the slide guide surface, but it is not possible to completely eliminate the effect, and we want to achieve nanometer and sub-nanometer scale ultra-precision positioning. In such a case, it is necessary to detect a minute posture angle error during a slide motion with a highly accurate angle sensor.
従来、この姿勢角測定には、測定レーザービームを複数有するレーザー干渉計、または光学式オートコリメータが用いられている（例えば、非特許文献３参照）が、高い角度検出分解能が要求されるスライド姿勢角誤差測定においては、レーザー干渉計に比べて高い測定分解能を有する光学式オートコリメータが多用されている。現在、市販のオートコリメータでは、最高０．０００５角度秒程度の高分解能測定が可能となっている。 Conventionally, for this attitude angle measurement, a laser interferometer having a plurality of measurement laser beams or an optical autocollimator is used (for example, see Non-Patent Document 3), but a slide attitude that requires high angle detection resolution. In angular error measurement, an optical autocollimator having a higher measurement resolution than a laser interferometer is frequently used. Currently, a commercially available autocollimator is capable of high-resolution measurement of up to about 0.0005 angle seconds.
また、受光素子に高速・高感度なフォトダイオードを用い、受光素子上でのレーザースポット径をマイクロメートルサイズまで縮小することで、０．０００１角度秒を超える分解能を実現する超高感度角度センサについても開発が進められている（例えば、特許文献１、非特許文献４参照）。
An ultra-sensitive angle sensor that uses a high-speed, high-sensitivity photodiode as the light-receiving element and reduces the laser spot diameter on the light-receiving element to a micrometer size to achieve resolution exceeding 0.0001 angular seconds. Is also under development (see, for example,
しかしながら、特許文献１および非特許文献４に記載のような超高感度角度センサにおいては、受光素子上でのレーザースポット径を縮小して測定分解能を向上すると、測定可能角度レンジが狭小化するという原理上の問題を抱えている。０．００１角度秒を超える分解能を実現しようとする場合、その測定可能角度レンジは±１０角度秒程度となる。また、角度センサ出力の非線形性が極端に増大するという課題もある。さらに、最近では、光学式角度センサが、スライド運動時の姿勢角誤差のような微小な角度の測定のみならず、精密非球面形状の測定等にも適用される例（例えば、非特許文献５参照）が増えてきており、超高分解能と広測定角度範囲の両立が望まれている。
However, in the ultra-high sensitivity angle sensor as described in
以上に鑑み、本発明は、小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置、およびそれを用いた回転角度検出方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention provides an optical rotation angle detection device that realizes angle detection over a wide angle range while enjoying the benefits of high measurement resolution due to a small spot diameter, and a rotation angle detection method using the same The purpose is to provide.
前記の目的を達成するために、本発明者らは、超高感度角度センサにおける受光素子上での光スポット径縮小による測定分解能向上効果を維持しつつ、測定可能角度レンジを比較的に増大するために、受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、測定対象の角度変化に伴う光スポットの移動に受光素子が追従するように微少位置制御を行う、角度センサ光学系を構成することに着想した。超高感度角度センサにおいては、光スポットが受光素子の感応帯と非感応帯との境目上にある場合に角度検出感度が最大となる。従って、常に光スポットがこの受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るよう位置決めシステムでフィードバック制御を行い、位置決めシステム内の変位センサで得られた受光素子位置情報をもとに測定対象の角度変化を算出すれば、光スポット径縮小に伴う測定レンジの狭小化およびセンサ出力の非線形性増大といった従来の角度センサにおける課題を解決し、広測定範囲を有する超高感度角度センサを実現することができる。 In order to achieve the above object, the present inventors relatively increase the measurable angle range while maintaining the effect of improving the measurement resolution by reducing the light spot diameter on the light receiving element in the ultrasensitive angle sensor. For this purpose, the idea was to construct an angle sensor optical system that mounts a light receiving element on a precision positioning system and performs minute position control so that the light receiving element follows the movement of the light spot accompanying the change in angle of the measurement target. . In the ultra-high sensitivity angle sensor, the angle detection sensitivity is maximized when the light spot is on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element. Therefore, feedback control is performed by the positioning system so that the light spot is always on the boundary between the sensitive and non-sensitive bands of the light receiving element, and measurement is performed based on the light receiving element position information obtained by the displacement sensor in the positioning system. By calculating the angle change of the target, it solves the problems of conventional angle sensors, such as narrowing of the measurement range accompanying the reduction of the light spot diameter and increase of nonlinearity of the sensor output, and realizes an ultrasensitive angle sensor with a wide measurement range. can do.
すなわち、本発明は、レーザーオートコリメーション法に基づく微小回転角度検出において、測定用受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、対物レンズにより受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るようフィードバック制御し、高精度変位センサで読み取った受光素子変位量をもとに被測定対象の微小回転角度を算出することにより、広角度範囲に渡る高精度な角度検出を実現することを特徴とする。 That is, according to the present invention, in a minute rotation angle detection based on the laser autocollimation method, a light receiving element for measurement is mounted on a precision positioning system, and the center of the light spot condensed on the light receiving element by the objective lens is the sensitive band of the light receiving element. High accuracy over a wide angle range by calculating the minute rotation angle of the measurement target based on the amount of displacement of the light-receiving element read by the high-precision displacement sensor. It is characterized by realizing accurate angle detection.
具体的には、本発明に係る回転角度検出装置は、単波長レーザー光源と、前記単波長レーザー光源から照射された発散レーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメートレンズと、被測定物に搭載され、前記コリメート光束が入射される反射部と、前記反射部から反射された測定光束を集光する対物レンズと、前記対物レンズにより集光された前記測定光束を測定する測定用受光素子と、前記測定用受光素子を搭載し、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージと、角度算出部とを備えており、前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されており、前記位置決めステージは、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記測定用受光素子の位置制御を行い、前記角度算出部は、前記位置決めステージによる前記測定用受光素子の位置制御の情報に基づき、前記被測定物の回転角度を求めるよう構成されている。 Specifically, a rotation angle detection device according to the present invention includes a single wavelength laser light source, a collimating lens that collimates a divergent laser light emitted from the single wavelength laser light source to generate a collimated light beam, and an object to be measured. A reflection unit that is mounted and on which the collimated light beam is incident; an objective lens that collects the measurement light beam reflected from the reflection unit; and a measurement light receiving element that measures the measurement light beam collected by the objective lens; The measuring light-receiving element, and a positioning stage for positioning the measuring light-receiving element, and an angle calculation unit, the measuring light-receiving element at the back focal length position of the objective lens, The center of the light spot obtained by condensing the measurement light beam is arranged so as to be located on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element for measurement. The determination stage performs position control of the light receiving element for measurement so that the center of the light spot continues to be positioned on the boundary when the object to be measured rotates, and the angle calculation unit is configured to perform the position calculation by the positioning stage. The rotation angle of the object to be measured is obtained based on the position control information of the light receiving element for measurement.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記測定用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。 In the rotation angle detection device according to the present invention, the measurement light receiving element may have at least one sensitive band capable of independently outputting a current obtained by photoelectric conversion.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記反射部からの反射光束を前記測定光束と参照光束とに分割するビームスプリッタと、前記参照光束を測定する参照用受光素子とをさらに備え、前記被測定物が微小角度回転しても前記参照光束全体が前記参照用受光素子の感応帯の内側に位置するように構成されていてもよい。この場合、前記参照用受光素子は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。参照光束全体が参照用受光素子の感応帯の内側に位置するために許容される被測定物の回転角度は、概ね１度以内である。 The rotation angle detection device according to the present invention further includes a beam splitter that divides a reflected light beam from the reflecting portion into the measurement light beam and a reference light beam, and a reference light receiving element that measures the reference light beam, The entire reference light beam may be configured to be located inside the sensitive band of the reference light receiving element even if the object is rotated by a minute angle. In this case, the reference light receiving element may have at least one sensitive band that can independently output a current obtained by photoelectric conversion. The rotation angle of the object to be measured that is allowed because the entire reference light beam is located inside the sensitive band of the reference light receiving element is approximately within 1 degree.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記位置決めステージを駆動制御する駆動部と、前記測定用受光素子で発生した測定用光電流と前記参照用受光素子で発生した参照用光電流とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成する制御部とをさらに備えていてもよい。この場合、前記駆動部は、圧電素子をアクチュエータとして用いていてもよい。また、前記測定用光電流を測定用電圧信号に変換する測定用電流−電圧変換回路と、前記参照用光電流を参照用電圧信号に変換する参照用電流−電圧変換回路とをさらに備え、前記制御部は、前記測定用電圧信号と前記参照用電圧信号とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成してもよい。また、前記角度算出部は、前記被測定物の角度変化に含まれる周波数成分が前記駆動部の制御帯域周波数以上であるとき、前記位置制御の情報と、前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目に対する前記光スポットの中心のずれ量とに基づき、前記被測定物の回転角度を求めてもよい。 In the rotation angle detection device according to the present invention, based on the driving unit that drives and controls the positioning stage, the measurement photocurrent generated in the measurement light receiving element, and the reference photocurrent generated in the reference light receiving element. And a control unit that generates a positioning signal for the driving unit. In this case, the drive unit may use a piezoelectric element as an actuator. And a measurement current-voltage conversion circuit for converting the measurement photocurrent into a measurement voltage signal, and a reference current-voltage conversion circuit for converting the reference photocurrent into a reference voltage signal. The control unit may generate a positioning signal for the driving unit based on the measurement voltage signal and the reference voltage signal. Further, the angle calculation unit is configured to detect the position control information and the sensitivity band of the measurement light receiving element when the frequency component included in the angle change of the object to be measured is equal to or higher than the control band frequency of the drive unit. The rotation angle of the object to be measured may be obtained based on the shift amount of the center of the light spot with respect to the boundary with the sensitive band.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記位置決めステージの位置を測定する変位センサをさらに備え、前記角度算出部は、前記位置制御の情報として、前記変位センサの出力信号を用いて前記被測定物の回転角度を算出してもよい。 The rotation angle detection apparatus according to the present invention further includes a displacement sensor that measures the position of the positioning stage, and the angle calculation unit uses the output signal of the displacement sensor as the position control information. The rotation angle may be calculated.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記対物レンズは、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズであってもよい。このように、収差が補正されたレンズを用いることにより、光スポット径をより一層小さくすることができる。 In the rotation angle detection apparatus according to the present invention, the objective lens may be a microscope objective lens, an aspherical lens, or an achromatic lens. Thus, by using a lens with corrected aberration, the light spot diameter can be further reduced.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記コリメートレンズと前記反射部との間に、前記反射部からの反射光束が前記単波長レーザー光源に戻ることを防止するために、偏光ビームスプリッタ、及び１／４波長板からなる光アイソレータが配置されていてもよい。このようにすると、反射鏡からの反射光束が単波長レーザー光源に戻ることを防止して、単波長レーザー光源からのレーザー光出力を安定化させることができる。 In the rotation angle detection device according to the present invention, in order to prevent a reflected light beam from the reflection unit from returning to the single wavelength laser light source between the collimating lens and the reflection unit, a polarization beam splitter, and 1 An optical isolator made of a / 4 wavelength plate may be arranged. If it does in this way, it can prevent that the reflected light beam from a reflective mirror returns to a single wavelength laser light source, and can stabilize the laser beam output from a single wavelength laser light source.
本発明に係る回転角度検出装置において、前記反射部は、反射鏡又は１軸若しくは２軸のパターンを持つ回折格子であってもよい。 In the rotation angle detection device according to the present invention, the reflecting section may be a reflecting mirror or a diffraction grating having a uniaxial or biaxial pattern.
本発明に係る回転角度検出方法は、単波長レーザー光源から照射した発散レーザー光をコリメートレンズによりコリメートして生成したコリメート光束を、被測定物に搭載された反射部に入射し、前記反射部から反射されてきた測定光束を対物レンズにより集光して測定用受光素子により測定することによって、前記被測定物の回転角度を求める回転角度検出方法であって、前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されていると共に、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージに搭載されており、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記位置決めステージにより前記測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき前記被測定物の回転角度を求める。 In the rotation angle detection method according to the present invention, a collimated light beam generated by collimating a divergent laser beam emitted from a single wavelength laser light source by a collimator lens is incident on a reflection unit mounted on a measurement object, and is reflected from the reflection unit. A method of detecting a rotation angle of the object to be measured by collecting the reflected measurement light beam by an objective lens and measuring the light beam with a measurement light-receiving element. At the rear focal length position of the lens, the center of the light spot obtained by condensing the measurement light beam is disposed on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the measurement light receiving element. Mounted on a positioning stage for positioning the light receiving element for measurement, and when the object to be measured is rotated, the center of the light spot is positioned on the boundary By the positioning stage to continue performs position control of the measuring light receiving element, and determines a rotation angle of the object to be measured based on the information of the position control.
本発明によれば、単波長レーザー光源を測定光として用いた、レーザーオートコリメーション法に基づく微小回転角度検出において、測定用受光素子を精密位置決めシステム上に搭載し、対物レンズにより受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るようフィードバック制御することによって、広角度範囲に渡り高精度な角度検出を実現することができる。原理的には、測定角度レンジは、対物レンズの物理的サイズおよび測定用受光素子を搭載する精密位置決めシステムの移動レンジの限界まで拡大することが可能になる。また、精密位置決めシステムのフィードバック制御に高精度変位センサ出力を用いることによって、いずれの角度位置においても角度センサ出力の非線形性の影響を受けずに０．００１角度秒を超える超高感度分解能を得ることができる。このように、本発明によれば、小スポット径による高い測定分解能の恩恵を享受しつつも、広角度範囲に渡る角度検出を実現する光学式の回転角度検出装置、およびそれを用いた回転角度検出方法を提供することができる。 According to the present invention, in a minute rotation angle detection based on a laser autocollimation method using a single wavelength laser light source as measurement light, the measurement light receiving element is mounted on the precision positioning system and is collected on the light receiving element by the objective lens. By performing feedback control so that the center of the illuminated light spot is on the boundary between the sensitive band and the non-sensitive band of the light receiving element, highly accurate angle detection can be realized over a wide angle range. In principle, the measurement angle range can be extended to the limits of the physical size of the objective lens and the movement range of a precision positioning system with a measuring light receiving element. In addition, by using the high-precision displacement sensor output for feedback control of the precision positioning system, an ultra-high sensitivity resolution exceeding 0.001 angular seconds is obtained without being affected by the nonlinearity of the angle sensor output at any angular position. be able to. Thus, according to the present invention, an optical rotation angle detection device that realizes angle detection over a wide angle range while enjoying the benefits of high measurement resolution due to a small spot diameter, and a rotation angle using the same A detection method can be provided.
本発明にかかる第一の実施形態の回転角度検出装置を、図１から図４を用いて説明する。図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いる装置構成の概略図である。なお、ここでは、移動テーブル１０、ガイドレール１１等からなるリニアスライド１２を被測定物として説明する。本光学系は、レーザー光源１３と、レーザー光源１３から照射される発散光１４をコリメートしてコリメート光束１５を生成するコリメートレンズ１６と、コリメート光束１５の進行方向を変更する偏光ビームスプリッタ１７と、偏光ビームスプリッタ１７で曲げられたコリメート光束１５の偏光状態を変える１／４波長板１８と、被測定物であるリニアスライド１２の移動テーブル１０に搭載する反射鏡１９と、反射鏡１９で反射され１／４波長板１８で再度偏光状態を変えられたコリメート光束１５を、参照光束２０と測定光束２１とに分割するビームスプリッタ２２と、参照光束２０を検出する参照用受光素子２３と、参照用受光素子２３の非感応帯２４に参照光束２０の一部が入射しないよう、参照用受光素子２３の感応帯２５上に参照用集光スポット２６を集光する集光レンズ２７と、測定光束２１を検出する測定用受光素子２８と、測定光束２１を測定用受光素子２８に集光する対物レンズ４６と、測定用受光素子２８の感応帯２９と測定用受光素子２８の非感応帯３０との境目に測定用集光スポット３１の中心が来るよう、測定用受光素子２８を載せて精密位置決めする精密位置決めステージ３２と、精密位置決めステージ３２の位置を検出する精密変位センサ３３と、参照用受光素子２３からの参照光電流信号３４を参照用電圧信号３５に変換する参照用電流−電圧変換回路３６と、測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７を測定用電圧信号３８に変換する測定用電流−電圧変換回路３９と、参照用電圧信号３５および測定用電圧信号３８をもとに精密位置決めステージ３２に入力する位置決め制御信号４１を生成する制御信号生成部４２と、位置決め制御信号４１をもとに精密位置決めステージ３２を駆動するステージドライバ４３と、精密変位センサ３３の出力信号４０をもとに移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５を算出する、角度算出部５１とからなる。なお、本発明では、測定光束２１の処理に用いる光学系、電子回路、変位センサ、精密位置決めシステムとそのコントローラを総称してオートコリメーションユニット４４と呼ぶ。
A rotation angle detection device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram of a device configuration used in the first embodiment according to the present invention. Here, the
参照用受光素子２３および測定用受光素子２８からの出力信号と、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５との関係を、図２を用いて説明する。図２は、参照用受光素子２３および測定用受光素子２８上における、参照用集光スポット２６および測定用集光スポット３１の位置関係を示す模式図である。各光学素子における光量ロス等が無い、理想的な光学系を仮定すると、参照光束２０に含まれる全光量と測定光束２１に含まれる全光量は同一となる。そのため、測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７が、参照用受光素子２３からの参照光電流信号３４の５０％となるように、参照用電圧信号３５と測定用電圧信号３８とをもとに制御信号生成部４２によって位置決め制御信号４１を生成し、精密位置決めステージ３２により微少位置制御を行うと、測定用受光素子２８は、測定用集光スポット３１の中心４７が測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目に来るよう常に制御されることになる。
The relationship between the output signals from the reference
第一の実施形態で用いる光学系における移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化θZ ４５の検出と、測定用受光素子位置を固定した従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度センサによる測定との差異を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、測定用受光素子２８の位置を固定した、従来のレーザーオートコリメーション法に基づく角度測定における、測定用受光素子２８上での測定用集光スポット３１と測定用受光素子２８との位置関係を示すもので、図３（ｂ）は、本発明での角度測定における、測定用受光素子２８上での測定用集光スポット３１と測定用受光素子２８との位置関係を示すものである。移動テーブル１０にＺ軸まわり姿勢角変化４５が発生すると、オートコリメーションユニット４４に入射する測定光束２１は、対物レンズ４６に対して入射角度２θZを有することになる。このときの測定用受光素子２８上における測定用集光スポット３１の変位（δ）４９は、対物レンズ４６の焦点距離（ｆ）５０を用いて、以下の式で表される。
Difference between detection of posture
従来の角度センサでは、この測定用集光スポット３１の変位４９と測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７との関係を、高精度オートコリメータ等を比較対照として用いて予め校正しておき、測定光電流信号３７の変化を角度に換算する。測定用集光スポット３１の径が小さいほど、測定用集光スポット３１の変位４９に対する測定光電流信号３７の変化、つまり角度測定の感度が高くなり、高い分解能での測定が可能となる。その一方で、この手法では、測定用集光スポット３１の変位４９が測定用集光スポット３１の半径を超えると、角度測定ができない。
In the conventional angle sensor, the relationship between the
これに対し、本発明で開示の回転角度検出装置においては、図３（ｂ）に示すように、移動テーブル１０にＺ軸まわり姿勢角変化４５が発生した場合、参照光電流信号３４、測定光電流信号３７をもとに精密位置決めステージ３２を用いて測定用受光素子２８を微少位置制御し、測定用集光スポット３１の中心４７が測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目に来るように位置決め制御する。このとき、精密変位センサ３３で検出した精密位置決めステージ３２の移動量が式（１）中のδに相当するため、精密変位センサ３３の出力を用いることで、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５を求めることができる。この手法では、原理的には対物レンズ４６の物理的サイズおよび測定用受光素子２８を搭載する精密位置決めステージ３２の移動レンジの限界まで測定角度範囲を拡大することが可能である。
On the other hand, in the rotation angle detection device disclosed in the present invention, as shown in FIG. 3B, when the
従来の角度センサの角度検出感度および、本発明で開示の回転角度検出装置において期待される角度検出感度を、シミュレーションにより求め比較した。図４に示すのは、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化４５に対する角度センサ出力、および各々の回転角度に対する出力変化量（角度センサ感度）である。シミュレーションにおいては、コリメート光束１５の直径を１０ｍｍ、対物レンズ４６の焦点距離を１００ｍｍとし、レーザー光源１３からの射出レーザー光の波長を６８５ｎｍとした。なお各々の出力ＳＯＵＴは、以下の式を用いて算出した。
The angle detection sensitivity of the conventional angle sensor and the angle detection sensitivity expected in the rotation angle detection device disclosed in the present invention were obtained by simulation and compared. FIG. 4 shows the angle sensor output for the
式（２）中のＩＭｅａｓおよびＩＲｅｆは、それぞれ参照光電流信号３４および測定光電流信号３７である。コリメート光束１５を対物レンズ４６で集光すると、測定用受光素子２８上においては、測定用集光スポット３１はガウス分布様の光強度分布を有するため、図４（ａ）に示すように、従来の角度センサは、±５角度秒を超える範囲において強い非線形性を有する出力曲線を持つ。一方、本発明で開示の回転角度検出装置においては、常に測定用受光素子２８の位置が制御されるため、出力は一定となる。この結果をもとに、変位角度秒あたりのセンサ出力変化量（感度）を求めた結果が、図４（ｂ）である。従来の角度センサにおいては、高い感度が得られるのは±２角度秒程度のごく狭い角度範囲に限られている。その一方で、本発明で開示の回転角度検出装置においては、測定用集光スポット３１が常に測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目にあるため、その感度は一定かつ高い水準を保つことができる。
In the equation (2), I Meas and I Ref are the
なお、本発明にかかる第一の実施形態においては、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御は不完全であっても差し支えない。測定用受光素子２８の変位情報と、フィードバック制御の誤差信号とを用いて、測定対象の微小回転角度を検出する手法の概略を図５に示す。本発明で開示の回転角度検出装置において、測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目に対する測定用集光スポット３１の中心４７のずれ量（ｅ）４８と測定光電流信号３７との関係を、従来の角度センサと同様に、高精度オートコリメータ等を比較対照として用いて予め校正しておけば、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御に誤差が生じて、測定用集光スポット３１の中心４７が測定用受光素子２８の感応帯２９と非感応帯３０との境目からずれた場合にも、そのずれ量４８を制御信号生成部４２によって生成される位置決め制御信号４１から得ることができ、これを精密変位センサ３３によって得られた精密位置決めステージ３２の変位（Δｓ）とともに用いて次の式を用いて演算することで、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５を得ることができる。
In the first embodiment according to the present invention, feedback control of the
この手法は、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化４５に含まれる時間周波数成分が、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御の帯域を超えるような場合に有効であり、精密位置決めステージ３２のフィードバック制御に要求される高速追従性に関する条件を緩和することが可能である。
This technique is effective when the time frequency component included in the
本発明にかかる第二の実施形態の回転角度検出装置を、図６を用いて説明する。図６は、本発明にかかる第二の実施形態で用いる装置構成の概略図である。主な構成は、図１に示した第一の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第二の実施形態では、測定光束２１をピッチ角測定光束５２とヨー角測定光束５３とに分割するビームスプリッタ５４を用いるとともに、オートコリメーションユニット５５を追加している。これにより、移動テーブル１０のＺ軸まわり姿勢角変化（θZ）４５に加え、Ｙ軸まわり姿勢角変化（θＹ）５６の検出が可能となる。
A rotation angle detection device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram of an apparatus configuration used in the second embodiment according to the present invention. The main configuration is the same as the optical system used in the first embodiment shown in FIG. 1, but in the second embodiment, the
本発明にかかる第三の実施形態の回転角度検出装置を、図７を用いて説明する。図７は、本発明にかかる第三の実施形態で用いる装置構成の概略図である。主な構成は、図１に示した第一の実施形態、および第二の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第三の実施形態では、反射鏡１９にかえて回折格子５７を被測定物であるリニアスライド１２の移動テーブル１０に搭載する。回折格子５７は表面にピッチ一定の微細パターン５８を有しており、これにレーザー光を入射すると、格子パターンに対し垂直な方向に回折角を有する一次回折光５９を発生する。なお、０次回折光は、測定光束２１である。第三の実施形態では、この一次回折光５９を用いて移動テーブル１０のＸ軸まわり姿勢角変化（θX）６０を検出するためのオートコリメーションユニット６１を追加している。これにより、移動テーブル１０のＸ、Ｙ、Ｚ３軸まわりの姿勢角変化の一括検出が可能となる。なお、ここで用いる回折格子５７は、ピッチ一定の微細パターン５８を有すれば良く、そのパターン形状は１軸パターン、２軸パターンのいずれでも構わない。
A rotation angle detection device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic view of a device configuration used in the third embodiment according to the present invention. The main configuration is the same as the optical system used in the first embodiment and the second embodiment shown in FIG. 1, but in the third embodiment, a
なお、上記第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態においては、レーザー光源１３から射出されるレーザー光の光量ゆらぎを考慮し、測定用受光素子２８からの測定光電流信号３７とともに参照用受光素子２３からの参照光電流信号３４を制御信号生成部４２に入力している。レーザー光の光量ゆらぎが無視できるほど小さい場合には、参照信号用の光学部品および回路部品を省き、参照光電流信号３４にかわる基準信号を与えることで、装置構成を簡略化しても差し支えない。
In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the measurement photocurrent signal from the measurement
また、第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態においては、偏光ビームスプリッタ１７と１／４波長板１８を用い、コリメート光束１５が反射鏡１９により反射される前に光路を９０°曲げているが、反射鏡１９による反射後に光路を９０°曲げるよう構成を変更しても差し支えない。更に、装置構成をよりコンパクトにするため、精密変位センサ３３と精密位置決めステージ３２が一体化したものを適用しても差し支えない。
In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the
また、第一の実施形態、第二の実施形態および第三の実施形態において、測定用受光素子２８及び参照用受光素子２３は、光電変換により得られる電流を独立して出力することができる少なくとも1つ以上の感応帯を有していてもよい。また、ステージドライバ４３は、圧電素子をアクチュエータとして用いていてもよい。また、測定用電流−電圧変換回路３９や参照用電流−電圧変換回路３６を介さずに、測定用受光素子２８で発生した測定用光電流と参照用受光素子２３で発生した参照用光電流とに基づき制御信号生成部４２が位置決め制御信号４１を生成してもよい。また、対物レンズ４６は、顕微鏡用対物レンズ、非球面レンズ又はアクロマートレンズなどであってもよい。このような収差が補正されたレンズを用いることにより、光スポット径をより一層小さくすることができる。
In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the measurement light-receiving
本発明によれば、従来は装置内で固定されていた測定用受光素子を精密位置決めシステムに搭載して可動とし、測定用受光素子上に集光した光スポット中心が受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に来るよう常にフィードバックすることで、広角度範囲に渡り高分解能・高精度な角度検出を実現することができる。更に、高精度変位センサ出力と、測定用受光素子のフィードバック制御誤差とを活用することで、測定用受光素子を搭載する精密位置決め装置の制御帯域を超える高周波数成分を含む角度変化についても、その測定が可能である。これらの特徴は、精密機械産業における超精密・高速感度測定に対する要求を満たすもので、その産業上の利用可能性は高い。 According to the present invention, a light receiving element for measurement that has been conventionally fixed in the apparatus is mounted on a precision positioning system to be movable, and the center of the light spot condensed on the light receiving element for measurement is not in contact with the sensitive band of the light receiving element. By always feeding back so as to be on the boundary with the sensitive band, it is possible to realize angle detection with high resolution and high accuracy over a wide angle range. Furthermore, by utilizing the high-precision displacement sensor output and the feedback control error of the light receiving element for measurement, the angle change including high frequency components exceeding the control band of the precision positioning device equipped with the light receiving element for measurement Measurement is possible. These features satisfy the demand for ultra-precision and high-speed sensitivity measurement in the precision machinery industry, and its industrial applicability is high.
１０ 移動テーブル
１１ ガイドレール
１２ リニアスライド
１３ レーザー光源
１４ 発散光
１５ コリメート光束
１６ コリメートレンズ
１７ 偏光ビームスプリッタ
１８ １／４波長板
１９ 反射鏡
２０ 参照光束
２１ 測定光束
２２ ビームスプリッタ
２３ 参照用受光素子
２４ 参照用受光素子の非感応帯
２５ 参照用受光素子の感応帯
２６ 参照用集光スポット
２７ 集光レンズ
２８ 測定用受光素子
２９ 測定用受光素子の感応帯
３０ 測定用受光素子の非感応帯
３１ 測定用集光スポット
３２ 精密位置決めステージ
３３ 精密変位センサ
３４ 参照光電流信号
３５ 参照用電圧信号
３６ 参照用電流-電圧変換回路
３７ 測定光電流信号
３８ 測定用電圧信号
３９ 測定用電流−電圧変換回路
４０ 精密変位センサの出力信号
４１ 位置決め制御信号
４２ 制御信号生成部
４３ ステージドライバ
４４ オートコリメーションユニット
４５ Ｚ軸まわり姿勢角変化（θZ）
４６ 対物レンズ
４７ 測定用集光スポット中心
４８ 測定用集光スポット中心のずれ量（ｅ）
４９ 測定用集光スポットの変位（δ）
５０ 対物レンズの焦点距離（ｆ）
５１ 角度算出部
５２ ピッチ角測定光束
５３ ヨー角測定光束
５４ ビームスプリッタ
５５ オートコリメーションユニット
５６ Ｙ軸まわり姿勢角変化（θＹ）
５７ 回折格子
５８ ピッチ一定の微細パターン
５９ 一次回折光
６０ Ｘ軸まわり姿勢角変化（θX）
６１ オートコリメーションユニット
DESCRIPTION OF
46
49 Displacement of focused spot for measurement (δ)
50 Focal length of objective lens (f)
51
57
61 Autocollimation unit
Claims (13)
前記単波長レーザー光源から照射された発散レーザー光をコリメートしてコリメート光束を生成するコリメートレンズと、
被測定物に搭載され、前記コリメート光束が入射される反射部と、
前記反射部から反射された測定光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズにより集光された前記測定光束を測定する測定用受光素子と、
前記測定用受光素子を搭載し、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージと、
角度算出部とを備えており、
前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されており、
前記位置決めステージは、前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記測定用受光素子の位置制御を行い、
前記角度算出部は、前記位置決めステージによる前記測定用受光素子の位置制御の情報に基づき、前記被測定物の回転角度を求めるよう構成されていることを
特徴とする回転角度検出装置。 A single wavelength laser light source;
A collimating lens for generating a collimated light beam by collimating the divergent laser light emitted from the single wavelength laser light source;
A reflection unit mounted on the object to be measured and on which the collimated light beam is incident;
An objective lens for condensing the measurement light beam reflected from the reflection unit;
A light receiving element for measurement that measures the measurement light beam collected by the objective lens;
A positioning stage mounted with the light receiving element for measurement and positioning the light receiving element for measurement;
An angle calculation unit,
The measurement light-receiving element has a center of a light spot obtained by condensing the measurement light beam at a rear focal length position of the objective lens on a boundary between a sensitive band and a non-sensitive band of the measurement light-receiving element. Arranged to be located,
The positioning stage performs position control of the light receiving element for measurement so that the center of the light spot continues to be positioned on the boundary when the object to be measured rotates,
The rotation angle detecting device, wherein the angle calculation unit is configured to obtain a rotation angle of the object to be measured based on information on position control of the light receiving element for measurement by the positioning stage.
前記参照光束を測定する参照用受光素子とをさらに備え、
前記被測定物が微小角度回転しても前記参照光束全体が前記参照用受光素子の感応帯の内側に位置するように構成されていることを
特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。 A beam splitter that divides the reflected light beam from the reflecting portion into the measurement light beam and the reference light beam;
A reference light receiving element for measuring the reference light flux;
3. The rotation angle according to claim 1, wherein the entire reference light beam is located inside a sensitive band of the reference light receiving element even if the object to be measured is rotated by a small angle. Detection device.
前記測定用受光素子で発生した測定用光電流と前記参照用受光素子で発生した参照用光電流とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成する制御部とをさらに備えていることを
特徴とする請求項３又は４に記載の回転角度検出装置。 A drive unit that drives and controls the positioning stage;
And a control unit that generates a positioning signal for the driving unit based on the measurement photocurrent generated in the measurement light-receiving element and the reference photocurrent generated in the reference light-receiving element. The rotation angle detection device according to claim 3 or 4.
前記参照用光電流を参照用電圧信号に変換する参照用電流−電圧変換回路とをさらに備え、
前記制御部は、前記測定用電圧信号と前記参照用電圧信号とに基づき前記駆動部の位置決め信号を生成することを
特徴とする請求項５又は６に記載の回転角度検出装置。 A measurement current-voltage conversion circuit for converting the measurement photocurrent into a measurement voltage signal;
A reference current-voltage conversion circuit for converting the reference photocurrent into a reference voltage signal;
The rotation angle detection device according to claim 5 or 6, wherein the control unit generates a positioning signal for the driving unit based on the measurement voltage signal and the reference voltage signal.
前記角度算出部は、前記位置制御の情報として、前記変位センサの出力信号を用いて前記被測定物の回転角度を算出することを
特徴とする請求項１〜８のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。 A displacement sensor for measuring the position of the positioning stage;
The said angle calculation part calculates the rotation angle of the said to-be-measured object using the output signal of the said displacement sensor as the information of the said position control, The any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. Rotation angle detection device.
前記測定用受光素子は、前記対物レンズの後方焦点距離位置において、前記測定光束を集光して得られた光スポットの中心が前記測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されていると共に、前記測定用受光素子の位置決めを行う位置決めステージに搭載されており、
前記被測定物が回転したとき、前記光スポットの中心が前記境目上に位置し続けるように前記位置決めステージにより前記測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき前記被測定物の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出方法。
A collimated light beam generated by collimating a divergent laser beam emitted from a single wavelength laser light source with a collimating lens is incident on a reflecting portion mounted on the object to be measured, and the measuring light beam reflected from the reflecting portion is reflected by an objective lens. A rotation angle detection method for obtaining a rotation angle of the object to be measured by condensing and measuring with a light receiving element for measurement,
The measurement light-receiving element has a center of a light spot obtained by condensing the measurement light beam at a rear focal length position of the objective lens on a boundary between a sensitive band and a non-sensitive band of the measurement light-receiving element. And is mounted on a positioning stage for positioning the light receiving element for measurement,
When the object to be measured rotates, the position of the light receiving element for measurement is controlled by the positioning stage so that the center of the light spot continues to be positioned on the boundary, and the object to be measured is based on the information on the position control. A rotation angle detection method characterized in that a rotation angle is obtained.
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|---|---|---|---|---|
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| DE102019209902A1 (en) | 2018-07-05 | 2020-01-09 | Mitutoyo Corporation | OPTICAL ANGLE SENSOR |
| CN114440849A (en) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 浙江大学 | Method and device for calibrating verticality of two-dimensional feedback positioning frame |
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