JP3045567B2 - 移動***置測定装置 - Google Patents

移動***置測定装置

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JP3045567B2
JP3045567B2 JP3149041A JP14904191A JP3045567B2 JP 3045567 B2 JP3045567 B2 JP 3045567B2 JP 3149041 A JP3149041 A JP 3149041A JP 14904191 A JP14904191 A JP 14904191A JP 3045567 B2 JP3045567 B2 JP 3045567B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、工作機械や光学機械や
測定機械などのように、直線運動をするテーブル機器の
位置を制御するステージ装置において、特にレーザーを
利用して被測定物の位置を測定する装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術とその課題】図4に示すように、直線運動
をするステージ上の移動体Mが例えばx軸に沿って移動
した場合、x軸方向の位置決め誤差exの他に、y軸方
向の動きに伴うy軸変位誤差ey、z軸方向の動きに伴
うezの3成分からなる変位誤差と、x軸回りのローリ
ングによるローリング誤差α、y軸回りのピッチングに
よるピッチング誤差β、z軸回りによるヨーイングによ
るヨーイング誤差γからなる3成分の角度誤差との6成
分の誤差が発生することが知られている。
【0003】従来の測定器としては、例えば特開昭62
−22360号に開示されるレーザー干渉測長器が知ら
れている。この測長器では、測長の場合に被測定物体に
二枚の反射鏡が必要となる。また傾き成分(ヨーイン
グ、ピッチング)の測定には二枚のバイプリズムが必要
である上に、同時に二成分を測定することができない。
また、上記の三成分を一つの測定器で同時に測ることが
できない。
【0004】一般に直線運動をする機器にはxステー
ジ、xyステージ、xyzステージが用いられている
が、これら移動ステージの直線運動精度を高精度に測定
するには軸変位の測定にはレーザー干渉測長システム、
角度変位にはオートコリメータが普及している。
【0005】例えば、xy平面内を移動するxyステー
ジ等においては、図5に示すように、二つのレーザー測
長器100,102と二つのオートコリメータ104,
106と直交ミラー108を用いて、レーザー干渉測長
器102を用いてx変位を、レーザー干渉測長器104
を用いてy変位を測定し、これと同時にオートコリメー
タ104を用いて角度誤差αとγを、オートコリメータ
106を用いて角度誤差βとγを測定する構成が知られ
ている。この構成では、二個のレーザー干渉測長器10
0,102と二個のオートコリメータ104,106を
用いて5成分の変位を同時に測定することができる。
【0006】しかし、このような測定システムは構成が
複雑になる上に、その測定に必要なスペースも大きくな
る。逆に、同一サイズのステージでは、測定系にスペー
スが取られ過ぎて動作範囲が小さくなる。また測定点も
多くなり、測定誤差の要因にもなる。
【0007】本発明は、ステージなどの移動体の直線運
動を高精度に制御するためのコンパクトな構成の測定光
学系を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】 このような課題を解決
するために、本発明は、反射面を有する移動体の位置を
測定する移動***置測定装置において、光ビームを発射
する手段と、この光ビームを、前記移動体の反射面に向
けて照射される物体光と、前記反射面により反射した前
記物体光と干渉する参照光とからなる、二本の光ビーム
に分離するビームスプリット手段と、前記反射した物体
光と参照光が干渉することにより生じる干渉信号に基づ
いて、前記移動体までの距離を検出する手段と、前記反
射した物体光の光軸に対する傾きを検出することによっ
て、前記移動体の角度変位を検出する手段とを備えたも
のである。
【0009】 さらに、前記ビームスプリット手段は、
互いのビームスプリット面が直交する二個の偏光ビーム
スプリッターと、それらの間に配置された1/2波長板
とからなることを特徴とするものである。また、前記角
度変位検出手段は、前記反射面により反射した前記物体
光を受光し、その受光位置を検出する位置検出素子から
なることを特徴とするものである。
【0010】
【作用】 ビームスプリット手段に入射した光ビーム
は、移動体の反射面に向けて照射される物体光と、前記
移動体の反射面により反射した前記物体光と干渉する参
照光とからなる、二本の光ビームに分離される。前記移
動体の反射面で反射された物体光と、この物体光と異な
る光路を通過した前記参照光が干渉することにより干渉
信号が発生する。この干渉信号の強度に基づいて前記移
動体までの距離が検出される。
【0011】一方、前記移動体の反射面で反射された物
体光は前記移動体の角度変位を検出する手段にも照射さ
れ、その照射位置に基づいて、前記移動体の角度変位が
検出される。
【0012】
【実施例】本発明の測定光学系の実施例を図1に示す。
光源12はレーザーダイオード14とコリメートレンズ
16を含み、レーザーダイオード14から射出されたレ
ーザー光はコリメートレンズ16で平行ビームに整形さ
れて光源12から射出される。光源12から射出された
平行ビームはアイソレータ18を通過し、紙面に対して
45度傾いた直線偏光となり、ミラー20で反射された
後に、偏光ビームスプリッター22に入射する。偏光ビ
ームスプリッター22は紙面に平行な偏光成分を通過さ
せ、紙面に垂直な偏光成分を反射する。
【0013】偏光ビームスプリッター22で反射された
光ビーム(物体光)は、λ/4板24を通過して、移動
体26の平面ミラー26aに達する。ここで光ビームは
反射され、λ/4板24を再度通過し、紙面に平行な直
線偏光となり、偏光ビームスプリッター22を通過し
て、レンズ28に入射する。レンズ28に入射した光ビ
ームは集束されつつ、偏光ビームスプリッター30に入
射する。偏光ビームスプリッター30は左面にハーフミ
ラー30aが、下面に全反射ミラー30bが設けられて
いて、これらはレンズ28の焦平面に位置している。偏
光ビームスプリッター30に入射した光はハーフミラー
30a上で集束し、その一部はハーフミラー30aを透
過して二次元位置検出素子32に入射し、残りの光はハ
ーフミラー30aで反射される。ハーフミラー30aで
反射された光はレンズ28に入射して平行ビームとな
り、偏光ビームスプリッター34とλ/4板36を通過
して、移動体26の平面ミラー26aに到達し反射され
る。平面ミラー26aで反射された光ビームは再びλ/
4板36を通過して紙面に垂直な直線偏光となり、偏光
ビームスプリッター34で反射され、λ/4板40に入
射する。
【0014】一方、偏光ビームスプリッター22を透過
した紙面に平行な直線偏光の光ビーム(参照光)は、λ
/2板38を通過して紙面に垂直な直線偏光となり、偏
光ビームスプリッター34で反射される。偏光ビームス
プリッター34で反射された光ビームは、レンズ28に
入射して集束されつつ、偏光ビームスプリッター30に
入射する。偏光ビームスプリッター30に入射した光は
ビームスプリット面30cで反射され、全反射ミラー3
0b上に集束し反射される。全反射ミラー30bで反射
された光はビームスプリット面30cで反射され、レン
ズ28に入射して平行ビームとなり、偏光ビームスプリ
ッター22に入射し反射される。偏光ビームスプリッタ
ー22で反射された光ビームはλ/2板38を通過する
際に紙面に平行な直線偏光となり、偏光ビームスプリッ
ター34を通過し、λ/4板40に入射する。
【0015】λ/4板40を通過した二本の光ビームは
共に円偏光となるとともに合成された後、偏光ビームス
プリッター42で二本のビームに分けられる。偏光ビー
ムスプリッター42を通過したビームは、λ/4板44
を通過して偏光ビームスプリッター46に入射して更に
二本のビームに分割され、偏光ビームスプリッター46
を通過したビームはフォトダイオードPD1に入射し、
偏光ビームスプリッター46で反射されたビームはフォ
トダイオードPD3に入射する。偏光ビームスプリッタ
ー42で反射されたビームはλ/4板48を通過して偏
光ビームスプリッター50に入射し、更に二本のビーム
に分割され、偏光ビームスプリッター50で反射された
ビームはフォトダイオードPD2に入射し、偏光ビーム
スプリッター50を透過したビームはフォトダイオード
PD4に入射する。
【0016】フォトダイオードPD1〜PD4で検出さ
れる干渉信号の強度S1〜S4はそれぞれ次のようにな
る。
【0017】 PD1: S1=a1+b1cos(2π/λ・n・Δ
L) PD2: S2=a2+b2sin(2π/λ・n・Δ
L) PD3: S3=a3+b3cos(2π/λ・n・Δ
L) PD4: S4=a4+b4sin(2π/λ・n・Δ
L) ここに、ΔLは物体光と参照光の光路差、λはレーザー
光の波長である。差動増幅器52から出力されるS1
2がcos信号、差動増幅器54から出力されるS2
4がsin信号となる。差動増幅器52と54の出力
はそれぞれプリアンプで位相補正とオフセット調整が行
なわれ、計数器へ送られて干渉信号が計数され、平面ミ
ラー26aの変位が計測される。このとき、物体光は移
動体までの光路を二往復するため、移動体の動きに対し
て二倍の光路差が生じるので測定感度が二倍になる。し
かも、物体光と参照光がほぼ同じ光路を通るので温度環
境等の変動なども強い。
【0018】次に移動体26の平面ミラー26aが傾い
たときの様子を図2に示す。図中、移動体が傾いていな
いときの光路を破線で示してある。移動体26がθ傾く
と、平面ミラー26aに入射した光ビームは、入射光に
対して2θの角度を持って反射され、レンズ28に入射
する。レンズ28を通過した光ビームは、ハーフミラー
30aで反射され、再びレンズ28に入射する。レンズ
28から射出される光ビームは、レンズ28へ入射した
光ビームに平行に射出される。この光ビームは移動体2
6の平面ミラー26aで反射され、偏光ビームスプリッ
ター34で反射される。偏光ビームスプリッター34か
ら射出されるビームは、偏光ビームスプリッター22に
入射するビームに平行に射出されるが、その光路は平面
ミラー26aが傾いていないときの光路からは僅かにず
れている。偏光ビームスプリッター34から射出された
光ビームは、上述したように、その干渉信号から移動体
26の位置が検出される。
【0019】一方、前記移動体26の反射ミラー26a
により反射した前記光ビーム(物体光)は、ハーフミラ
ー30aを通過して二次元位置検出素子32に入射す
る。ハーフミラー30a上において、平面ミラー26a
が傾いていないときの前記反射した物体光の照射位置
と、平面ミラー26aがθ傾いているときの前記反射し
た物体光の照射位置とのずれdは、
【0020】
【数1】
【0021】で表される。ここにfはレンズ28の焦点
距離である。従って、変位dより傾き角θを導き出すこ
とができる。この特性は、図1において、移動体26の
平面ミラー26aが紙面に平行な軸を中心として傾いた
場合も同様である。これにより、移動体26の平面ミラ
ー26aの2方向の角度成分を同時に検出できる。
【0022】本発明は上述に実施例に限定されるもので
はなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々多くの変形
が可能である。例えば、図1に示した偏光ビームスプリ
ッターの代わりに、図3に示す偏光ビームスプリッター
を用いることもできる。またλ/4板は二枚である必要
はなく、図3のようにλ/4板は一枚で済ませることも
できる。
【0023】本発明によれば、測長と角度変位(ヨーイ
ングとピッチング)を同時に同一箇所を測定して行なえ
るため、ステージなどの移動体の直線運動を高精度に制
御するためのコンパクトな構成の測定光学系を有する移
動***置測定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定光学系の実施例を示す。
【図2】移動体が傾いたときの物体光の光路を示す。
【図3】図1の測定光学系の変形例を示す。
【図4】移動体に発生する6つの誤差を示す。
【図5】従来例に係る移動体の測定装置の構成を示す。
【符号の説明】
12…光源、22,34,30…偏光ビームスプリッタ
ー、24,36…λ/4板、26…移動体、26a…平
面ミラー、28…レンズ、30a…ハーフミラー、30
b…全反射ミラー、38…λ/2板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 9/00 - 11/30 102

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反射面を有する移動体の位置を測定する
    移動***置測定装置において、 光ビームを発射する手段と、 この光ビームを、前記移動体の反射面に向けて照射され
    る物体光と、前記反射面により反射した前記物体光と干
    渉する参照光とからなる、二本の光ビームに分離するビ
    ームスプリット手段と、 前記反射した物体と参照光が干渉することにより生じる
    干渉信号に基づいて、前記移動体までの距離を検出する
    手段と、 前記反射した物体光の光軸に対する傾きを検出すること
    によって、前記移動体の角度変位を検出する手段とを備
    えており、 前記ビームスプリット手段は、互いのビームスプリット
    面が直交する二個の偏光ビームスプリッターと、それら
    の間に配置された1/2波長板とからなることを特徴と
    する移動***置測定装置。
  2. 【請求項2】 前記角度変位検出手段は、前記反射面に
    より反射した前記物体光を受光し、その受光位置を検出
    する位置検出素子からなることを特徴とする請求項1記
    載の移動***置測定装置。
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CN116086361B (zh) * 2023-04-11 2023-06-30 季华实验室 用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法

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