KR100531458B1 - 광학식 변위측정장치 - Google Patents

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KR100531458B1
KR100531458B1 KR10-1999-0031982A KR19990031982A KR100531458B1 KR 100531458 B1 KR100531458 B1 KR 100531458B1 KR 19990031982 A KR19990031982 A KR 19990031982A KR 100531458 B1 KR100531458 B1 KR 100531458B1
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Abstract

높은 분해능으로 위치검출이 가능한 광학식 변위측정장치를 제공한다.
본 발명에서는, 제 1결상수단에 의해 가간섭광(La)이 회절격자(1)의 격자면에 결상되어 있는 동시에, 제 2결상수단에 의해 평행광으로 되어 제 1간섭광(Lb1, Lb2)이 반사광학계(3)에 수직으로 조사되어 있다. 본 발명에서는 제 1회절광(Lb1)의 광축이 엇갈린 경우라도, 반사된 제 1회절광(Lb1)은 반드시 입사하였을 때와 같은 광로를 역행하고, 회절격자(1)의 격자면상의 결상위치는 변화하지 않고, 제 1회절광(Lb1)이 회절함으로써 생기는 제 2회절광(Lb2)의 광축이 엇갈리지 않는다. 본 발명에서는 이 광축이 엇갈리지 않는 제 2회절광(Lb2)을 간섭시켜서 그 위상차를 검출하고, 그 회절격자(1)의 이동위치를 측정한다.

Description

광학식 변위측정장치{Optical displacement measurement system}
본 발명은, 공작기계나 반도체제조장치 등의 가동부분의 상대 이동위치를 검출하는 광학식 변위측정장치에 관한 것이다.
종래부터, 공작기계나 반도체제조장치 등의 가동부분의 상대 이동위치를 검출하는 장치로서, 회절격자를 이용한 광학식의 변위측정장치가 알려져 있다.
예를 들면, 일본 특개소60-98302호 공보에 제안되고 있는 종래의 광학식 변위측정장치를 도 1 및 도 2에 도시한다. 또 1은, 이 종래의 광학식 변위측정장치(100)를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 2는, 도 1에 도시하는 종래의 광학식 변위측정장치(100)를 N1방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
종래의 광학식 변위측정장치(100)는, 공작기계 등의 가동부분의 이동에 수반하여 도면중 화살표(X1 및 X2)방향으로 직선 이동하는 회절격자(101)와, 가간섭광인 레이저광을 출사하는 가간섭광원(102)과, 가간섭광원(102)에서 출사된 레이저광을 2개의 빔으로 분할하는 동시에, 회절격자(101)로부터의 2개의 회절광을 중합하여 간섭시키는 하프미러(103)와, 회절격자(101)에서 회절된 회절광을 반사하는 2개의 미러(104a, 104b)와, 간섭한 2개의 회절광을 수광하여 간섭신호를 생성하는 포토디텍터(105)를 갖추고 있다.
가간섭광원(102)에서 출사된 레이저광은, 하프미러(103)에 의해 2개의 빔으로 분할된다. 이 2개의 빔은 각각 회절격자(101)에 조사(照射))된다. 회절격자(101)에 조사된 2개의 빔은, 이 회절격자(101)에서 각각 회절되어 회절광이 된다. 이 회절격자(101)에서 회절된 1차 회절광은, 각각 미러(104a, 104b)에 의해 반사된다. 미러(104a, 104b)에 의해 반사된 회절광은, 회절격자(101)에 재차 조사되고, 이 회절격자(101)에서 재차 회절되고, 동일의 광로를 더듬어서 하프미러(103)에 되돌려진다. 하프미러(103)에 되돌려진 회절광은, 2개가 중합되어서 간섭하고 포토디텍터(105)에 조사된다.
이와 같은 종래의 광학식 변위측정장치(100)에서는, 회절격자(101)가 도면중 화살표(X1, X2)방향으로 이동한다. 광학식 변위측정장치(100)에서는, 이 회절격자(101)의 이동에 따라서, 이 회절격자(101)에 의해 생기는 2개의 회절광에 위상차가 생긴다. 그 때문에, 이 광학식 변위측정장치(100)에서는, 포토디텍터(105)에 의해 얻어지는 간섭신호에서 2개의 회절광의 위상차를 검출함으로써, 공작기계 등의 가동부분의 이동위치를 측정할 수 있다.
또, 일본 특개소60-98302호 공보에서 제안되고 있는 다른 종래의 광학식 변위측정장치를 도 3 및 도 4에 도시한다. 또 3은, 종래의 광학식 변위측정장치(110)를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 4는, 도 3에 도시하는 종래의 광학식 변위측정장치(110)를 N1방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
종래의 광학식 변위측정장치(110)는, 공작기계 등의 가동부분의 이동에 수반하여 도면중 화살표(X1 및 X2)방향으로 직선 이동하는 회절격자(111)와, 가간섭광인 레이저광을 출사하는 가간섭광원(112)과, 가간섭광원(102)에서 출사된 레이저광을 2개의 빔으로 분할하는 동시에, 회절격자(111)로부터의 2개의 회절광을 중합하여서 간섭시키는 하프미러(113)와, 하프미러(113)에 의해 분할된 2개의 빔을 회절격자(111) 상의 동일위치에 조사하는 2개의 제 1미러(114a, 114b)와, 회절격자(111)로 회절된 회절광을 반사하는 2개의 제 2미러(115a, 115b)와, 간섭한 2개의 회절광을 수광하여 간섭신호를 생성하는 포토디텍터(116)를 갖추고 있다.
가간섭광원(112)에서 출사된 레이저광은, 하프미러(113)에 의해 2개의 빔으로 분할된다. 이 2개의 빔은 각각 제 1미러(114a, 114b)에 반사되어서, 회절격자(111) 상의 동일위치에 조사된다. 회절격자(111)에 조사된 2개의 빔은, 이 회절격자(111)에서 각각 회절되어 회절광으로 된다. 이 회절격자(111)에서 회절된 1차 회절광은, 각각 제 2미러(115a, 115b)에 의해 반사된다. 제 2미러(115a, 115b)에 의해 반사된 회절광은, 회절격자(111)에 재차 조사되어 이 회절격자(111)에서 재차 회절되고, 회절광이 동일의 광로를 더듬어 하프미러(113)에 되돌려진다. 하프미러(113)에 되돌려진 회절광은, 2개가 중합되어서 간섭하고, 포토디텍터(116)에 조사된다.
이와 같은 종래의 광학식 변위측정장치(110)에서는, 회절격자(111)가 도면중 화살표(X1 및 X2)방향으로 이동한다. 광학식 변위측정장치(110)에서는, 이 회절격자(111)의 이동에 따라서 이 회절격자(111)에 의해 생기는 2개의 회절광에 위상차가 생긴다. 그 때문에 이 광학식 변위측정장치(110)에서는, 포토디텍터(116)에 의해 얻어지는 간섭신호에서 2개의 회절광의 위상차를 검출함으로써, 공작기계 등의 가동부분의 이동위치를 측정할 수 있다.
그런데, 근래 공작기계나 산업용로봇의 고정밀도화에 수반하여, 예를 들면 수10nm에서 수nm이라는 높은 분해능으로 위치검출을 할 수 있는 광학식 변위측정장치가 구해지도록 되어 왔다.
광학식 변위측정장치에서 높은 분해능을 얻기 위해서는 큰 간섭신호를 검출할 필요가 있고, 그 때문에 간섭시키는 2개의 회절광을 상당히 높은 정밀도로 중합시키지 않으면 아니된다.
그렇지만, 상술한 종래의 광학식 변위측정장치(100, 110)에서는, 회절격자(101, 111)가 본래의 이동방향 이외로 이동하거나, 기울어지거나, 또 회절격자(101, 111)에 굴절 등이 있으면, 하프미러(103, 113)에 의해 중합된 회절광이 엇갈리고, 급격히 간섭신호가 작아져서 위치검출을 하는 것이 곤란하게 되고 있었다. 예를 들면 회절격자(101, 111)가 도 1∼도 4중 화살표(A1 및 A2)방향에의 회전이동이나, 화살표(B1) 및 화살표(B2)방향에의 회전이동을 한 경우에, 위치검출을 하는 것이 곤란하게 되어 있었다.
또, 상술한 종래의 광학식 변위측정장치(100)를 변형한 광학식 변위측정장치로서, 도 5에 도시하는 바와 같은 가간섭광원(102)에서 출사하는 레이저광을 미러(104a, 104b)에 결상시키는 제 1렌즈(106)와, 하프미러(103)에 의해 중합되어 간섭한 2개의 회절광을 포토디텍터(105)의 수광면에 결상시키는 제 2렌즈(107)를 갖춘 광학식 변위측정장치(120)가 있다.
그렇지만, 이 광학식 변위측정장치(120)라도, 회절격자(101)가 본래의 이동방향 이외로 이동하거나, 기울어지거나, 또 회절격자(101)에 굴절 등이 있으면, 하프미러(103, 113)에 의해 중합된 회절광이 엇갈리고, 급격히 간섭신호가 작아져서 위치검출을 하는 것이 곤란하게 되게 된다.
예를 들면, 이 광학식 변위측정장치(120)에서는, 화살표(A1 및 A2)방향으로 30초에서 1분, 화살표(B1 및 B2)방향으로 10분정도의 각도변화로, 약 20%의 간섭신호의 변화가 생기게 된다. 또, 반사형의 회절격자를 이용한 경우에는, 화살표(B1 및 B2)방향의 허용각도는, 이 수10분의 1이 되고 더욱 위치검출을 하는 것이 곤란하게 되게 된다.
여기서, 일본 특개평2-167427호 공보에 제안되어 있는 종래의 광학식 변위측정장치를 도 6에 나타낸다.
이 도 6에 도시하는 광학식 변위측정장치(130)는, 공작기계 등의 가동부분의 이동에 수반하여 도면중 화살표(X1 및 X2)방향으로 직선이동하는 회절격자(131)와, 레이저광을 출사하는 레이저다이오드(132)와, 레이저다이오드(132)에서 출사된 레이저광을 2개의 빔으로 분할하는 하프미러(133)와, 회절격자(131)를 투과한 2개의 회절광을 수광하는 제 1과 제 2수광소자(134, 135)와, 2개의 회절광을 집광하는 2개의 렌즈(136, 137)와, 2개의 렌즈(136, 137)에 의해 집광된 2개의 회절광을 분리합성하는 하프미러(138)를 갖추고 있다.
또, 이 광학식 변위측정장치(130)는, 하프미러(133)에 의해 분할된 레이저광을 반사하여 회절격자(131)에 조사하는 미러(139, 140)와, 회절격자(131)를 투과한 회절광을 반사하여 하프미러(133)에 조사하는 미러(141, 142)와, 제 1수광소자(134)와 하프미러(138)와의 사이에 설치된 1/4파장판(143) 및 제 1검광자(144)와, 제 2수광소자(135)와 하프미러(138)와의 사이에 설치된 제 2검광자(145)를 갖추고 있다.
이 광학식 변위측정장치(130)에서는, 회절격자(131)의 회절면 혹은 굴절면에 초점이 오도록 제 1과 제 2렌즈(136, 137)를 배치하고 있다. 이 때문에 제 1과 제 2수광소자(134, 135)에 조사되는 회절광이 상시 평행으로 되고, 예를 들면 회절격자(131)가 기울어지거나, 이 회절격자(131)에 굴절이 있었던 경우라도 간섭신호의 변동이 작아진다.
그렇지만, 이 광학식 변위측정장치(130)에서는, 유지되는 것은 2개의 회절광의 평행이며, 예를 들면 회절격자(131)가 기울어진 경우, 도 7에 도시하는 바와 같이, 균일한 간섭이 유지되어 있는 것은 어디까지나 2개의 빔이 겹친 도면중 사선으로 나타내는 부분이다. 따라서, 이 2개의 빔이 겹친부분 이외는, 회절광은 간섭하지 않고, 간섭신호가 작아진다. 또, 2개의 회절광이 완전한 평행빔은 아니고, 어떠한 수차를 포함하는 경우에는, 빔이 겹친부분도 균일한 간섭이 유지되지 않고, 간섭신호가 작아진다.
본 발명은, 높은 분해능으로의 위치검출이 가능한 광학식 변위측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은, 회절격자에 의해 반사된 반사광이 발광수단에 되돌아오지 않고, 높은 분해능으로 안정한 위치검출이 가능한 광학식 변위측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치는, 가간섭광이 조사되고 이 가간섭광에 대하여 격자벡터에 평행한 방향으로 상대이동하고, 이 가간섭광을 회절하는 회절격자와, 가간섭광을 발광하는 발광수단과, 상기 발광수단에 의해 발광된 가간섭광을 2개의 가간섭광으로 분할하여, 상기 회절격자에 대하여 각 가간섭광을 조사하는 조사광학계와, 상기 각 가간섭광이 상기 회절격자에 의해 회절되어서 얻어지는 2개의 제 1회절광을 각각 반사하여, 상기 회절격자에 대하여 각 제 1회절광을 조사하는 반사광학계와, 상기 각 제 1회절광이 상기 회절격자에 의해 회절되어서 얻어지는 2개의 제 2회절광을 간섭시키는 간섭광학계와, 간섭한 2개의 제 2회절광을 수광하여 간섭신호를 검출하는 수광수단과, 상기 수광수단이 검출한 간섭신호에서 상기 2개의 제 2회절광의 위상차를 구하고, 상기 회절격자의 상대 이동위치를 검출하는 위치검출수단을 갖추고, 상기 조사광학계는, 상기 회절격자에 대하여 조사되는 2개의 가간섭광을 이 회절격자의 격자면에 결상시키는 제 1결상수단을 가지며, 상기 반사광학계는 상기 회절격자에 대하여 조사되는 2개의 제 1회절광을 각각 대응하는 가간섭광의 결상위치와 동일위치에 결상시키는 제 2결상수단을 가지는 것을 특징으로 한다.
이 광학식 변위측정장치에서는, 예를 들면 도 8에 도시하는 바와 같이, 발광수단(2)이 발광한 가간섭광(La)을 제 1결상수단(4)이 회절격자(1)의 격자면에 결상한다. 회절격자(1)의 격자면에 결상된 가간섭광(La)이 이 회절격자(1)에 의해 회절하고, 회절격자(1)를 반사 혹은 투과한 제 1회절광(Lb1)이 생긴다. 제 2결상수단(5)은, 이 제 1회절광(Lb1)을 평행광으로 하고, 반사광학계(3)에 수직으로 조사한다. 반사광학계(3)는 제 1회절광(Lb1)을 수직으로 반사하여 입사된 경로와 동일경로를 역행시킨다. 제 2결상수단(5)은 반사된 제 1회절광(Lb1)을 회절격자(1)의 격자면에 결상한다. 이때, 반사된 제 1회절광(Lb1)은, 상기 제 1결상수단(4)이 가간섭광(La)을 결상한 위치에 결상된다. 이 반사된 제 1회절광(Lb1)이 회절격자(1)에 의해 회절하고, 회절격자(1)를 반사 혹은 투과한 제 2회절광(Lb2)이 생긴다.
이 광학식 변위측정장치에서는, 제 1결상수단(4)에 의해 가간섭광(La)이 회절격자(1)의 격자면에 결상되어 있는 동시에, 제 2결상수단(5)에 의해 평행광으로 되어 제 1회절광(Lb1, Lb2)이 반사광학계(3)의 반사기에 대하여 상시 수직으로 조사되고 있다. 따라서, 예를 들면 도 8중(Lb1’)에 도시하는 바와 같이, 제 1회절광(Lb1)의 광축이 엇갈린 경우라도, 반사된 제 1회절광(Lb1)은 상시 입사하였을 때와 전적으로 같은 광로를 역행하고 회절격자(1)의 격자면상의 결상위치는 변화하지 않고, 이 제 1회절광(Lb1)이 회절함으로써 생기는 제 2회절광(Lb2)의 광축이 엇갈리지 않는다. 또, 광로길이의 변화도 생기지 않는다.
또 본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치는, 상기 조사광학계가, 상기 2개의 가간섭광의 광로를 상기 회절격자의 격자면에 수직한 방향에 대하여 경사진 평면상에 형성하고, 이 2개의 가간섭광을 상기 회절격자의 격자면상의 동일점에 조사하는 것을 특징으로 한다.
이 광학식 변위측정장치에서는, 2개의 가간섭광의 광로를 회절격자의 격자면에 수직한 방향에 대하여 경사진 방향으로 형성하여, 이 2개의 가간섭광을 상기 회절격자의 격자면상의 동일점에 조사한다. 그리고, 이 광학식 변위측정장치에서는, 이 2개의 가간섭광에 의해 생기는 이 2개의 회절광의 위상차를 구하여, 회절격자의 상대이동위치를 검출한다.
먼저, 본 발명을 적용한 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치(10)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 공작기계 등의 가동부분에 부착된 직선 이동하는 회절격자(11)와, 레이저광 등의 가간섭광(La)을 출사하는 가간섭광원(12)과, 간섭한 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광하여 간섭신호를 생성하는 수광소자(13)와, 수광소자(13)로부터의 간섭신호에 의거하여 회절격자(11)의 이동위치를 검출하는 위치검출부(14)와, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분할하여 회절격자(11)에 조사하는 동시에, 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 간섭시켜서 수광소자(13)에 조사하는 조사광학계(15)와, 회절격자(11)로부터의 2개의 1회 회절광(Lb1, Lb2)을 반사하여 재차 회절격자(11)에 조사하는 반사광학계(16)를 갖추고 있다.
회절격자(11)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 박판형의 형태를 가지고 있고, 그 표면에 좁은 슬릿이나 홈 등의 격자가 소정 간격마다 새겨져 있다. 이와 같은 회절격자(11)에 입사된 빛은, 표면에 새겨진 슬릿 등에 의해 회절한다. 회절에 의해 생기는 회절광은 격자의 간격과 빛의 파장으로 정하는 방향으로 발생한다.
여기서, 발명의 실시형태를 설명하는데 있어서, 격자가 형성되어 있는 회절격자(11)의 면을 격자면(11a)이라고 부른다. 또한 회절격자(11)가 투과형의 경우에는, 가간섭광이 입사되는 면과 회절광이 발생하는 면과를 함께 격자면(11a)이라고 부른다. 또 회절격자(11)의 격자가 형성된 방향(도 10중 화살표 C1, C2방향), 즉, 격자의 투과율이나 반사율, 홈의 깊이 등의 변화의 방향을 표시하는 격자벡터에 대하여 수직한 방향이고, 또한 격자면(11a)에 평행한 방향(도 10중 화살표 D1, D2방향), 즉, 회절격자(11)의 격자벡터에 대하여 평행한 방향을 격자벡터방향이라고 부른다. 또 격자면(11a)에 수직한 방향(도 10중 화살표 E1, E2방향), 즉, 격자방향으로 수직한 방향이고, 또한 격자벡터방향으로 수직한 방향을 법선벡터방향이라고 부른다. 또한 이들 회절격자(11)의 각 방향에 대해서는, 본 발명의 제 1실시형태뿐만 아니라, 다른 실시형태에 있어서도 동일하게 부르는 것으로 한다.
이 회절격자(11)는, 공작기계 등의 가동부분에 부착되고, 이 가동부분의 이동에 수반하여 도 9중 화살표 X1, X2방향, 즉, 격자벡터방향으로 이동한다.
또한 본 발명에서는, 회절격자(11)의 종류는 한정되지 않고, 기계적으로 홈 등이 형성된 것뿐만 아니라, 예를 들면 감광성수지에 간섭줄무늬를 구워붙여서 작성한 것이라도 좋다.
가간섭광원(12)은, 레이저광 등의 가간섭광을 발광하는 소자이다. 이 가간섭광원(12)은 예를 들면 가간섭거리가 수백μm 정도의 레이저광을 발광하는 멀티모드의 반도체레이저 등으로 이루는 것이다.
수광소자(13)는, 수광면(13a)에 대하여 조사된 빛을 그 광량에 따라서 전기신호로 변환하는 광전변환소자이며, 예를 들면 포토디텍터 등으로 이루는 것이다. 이 수광소자(13)는 수광면(13a)에 대하여 조사되는 간섭광을 수광하여, 그 광량에 따른 간섭신호를 생성한다.
위치검출부(14)는, 수광소자(13)가 생성한 간섭신호에 의거하여, 2회 회절광의 위상차를 구하고, 회절격자(11)의 상대이동위치를 나타내는 위치신호를 출력한다.
조사광학계(15)는, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 회절격자(11)의 격자면(11a) 상에 결상시키는 제 1결상소자(21)와, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분리하는 동시에 회절격자(11)로부터의 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 중합하여서 간섭시키는 하프미러(22)와, 하프미러(22)에 의해 분리된 한편의 가간섭광(La1)을 반사하는 동시에 가간섭광(La1)에 의해 생기는 2회 회절광(Lc1)을 반사하는 반사기(23)와, 하프미러(22)에 의해 분리된 다른 편의 가간섭광(La2)을 반사하는 동시에 가간섭광(La2)에 의해 생기는 2회 회절광(Lc2)을 반사하는 반사기(24)와, 하프미러(22)에 의해 중합된 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광소자(13)의 수광면(13a)상에 결상시키는 제 2결상소자(25)를 가지고 있다.
제 1결상소자(21)는 소정의 개구수를 갖는 렌즈 등의 광학소자로 이루는 것이다. 제 1결상소자(21)에는 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)이 입사된다. 제 1결상소자(21)는 입사된 가간섭광(La)을 소정의 빔지름으로 가간섭광(La1)을 회절격자(11)의 격자면(11a)에 결상시킨다. 결상된 빔지름은 회절격자(11)가 회절광을 발생시키는데 충분한 격자수를 포함하는 크기가 소망스럽다. 또 그 빔지름은 격자면(11a)상의 먼지나 상처의 영향을 받지 않는 크기가 소망스럽다. 그 빔지름은 제 1결상소자(21)의 개구수 등을 바꾸므로써 조정할 수 있고, 예를 들면, 수십μm 이상으로 하는 것이 소망스럽다. 또 결상점은, 반드시도 빔지름이 최소가 되는 점으로 할 필요는 없고, 빔의 상내에서의 광로길이의 차가 최소가 되는 점이 격자면(11a)상에 위치하도록 하여도 좋다.
하프미러(22)에는, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)이 제 1결상소자(21)를 거쳐서 입사된다. 이 하프미러(22)는 입사된 가간섭광(La)의 일부를 투과하여 가간섭광(La1)을 생성하고, 입사된 가간섭광(La)의 일부를 반사하여 가간섭광(La2)을 생성한다. 또 하프미러(22)에는, 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lc1) 및 2회 회절광(Lc2)이 입사된다. 이 하프미러(22)는 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 중합하여서 간섭시키고, 이 간섭된 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광소자(13)의 수광면(13a)에 조사한다.
반사기(23)는 하프미러(22)를 투과한 가간섭광(La1)을 반사하여, 회절격자(11)의 격자면(11a)의 소정 위치에 조사한다. 또 반사기(24)는, 하프미러(22)에 의해 반사된 가간섭광(La2)을 반사하여, 회절격자(11)의 격자면(11a)의 소정 위치에 조사한다. 반사기(23) 및 반사기(24)는, 가간섭광(La1) 및 가간섭광(La2)을 격자면(11a)상의 동일 위치에 조사한다.
또 반사기(23)에는, 1회 회절광(Lc1)이 회절격자(11)에 조사됨으로써 생기는 2회 회절광(Lc1)이 조사한다. 반사기(23)는 이 2회 회절광(Lc1)을 반사하여 하프미러(22)에 조사한다. 또 반사기(24)는, 1회 회절광(Lc2)이 회절격자(11)에 조사됨으로써 생기는 2회 회절광(Lc2)이 조사한다. 반사기(23)는 이 2회 회절광(Lc2)을 반사하여 하프미러(22)에 조사한다. 반사기(23) 및 반사기(24)에는, 격자면(11)상의 동일위치에서 생기는 2회 회절광(Lc1, Lc2)이 조사된다.
제 2결상소자(25)는 소정의 개구수를 갖는 렌즈 등의 광학소자로 이룬다. 제 2결상소자(25)에는, 하프미러(22)에 의해 중합된 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)이 입사된다. 제 2결상소자(25)는, 이 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 소정의 빔지름으로 수광소자(13)의 수광면(13a)에 결상시킨다. 그 결상점은 반드시도 빔지름이 최소가 되는 점으로 할 필요는 없고, 빔의 상내에서의 광로길이의 차가 최소가 되는 점이 수광면(13a)상에 위치하도록 하여도 좋다.
한편, 반사광학계(16)는 가간섭광(La1)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb1)을 반사하여 재차 회절격자(11)에 조사하는 반사기(26)와, 가간섭광(La2)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb2)을 반사하여 재차 회절격자(11)에 조사하는 반사기(27)와, 가간섭광(La1)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb2)을 평행광으로써 상기 반사기(26)에 조사하는 제 3결상소자(28)와, 가간섭광(La2)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb1)을 평행광으로써 상기 반사기(27)에 조사하는 제 4결상소자(29)를 가지고 있다.
반사기(26)에는, 제 3결상소자(28)를 통과한 1회 회절광(Lb1)이 조사된다. 반사기(26)는 이 1회 회절광(Lb1)이 입사경로와 같은 경로를 역행하도록, 이 1회 회절광(Lb1)을 수직으로 반사한다.
반사기(27)에는, 제 4결상소자(29)를 통과한 1회 회절광(Lb2)이 조사된다. 반사기(27)는, 이 1회 회절광(Lb2)이 입사경로와 같은 경로를 역행하도록, 이 1회 회절광(Lb2)을 수직으로 반사한다.
제 3결상소자(28)는, 소정의 개구수를 갖는 렌즈 등의 광학소자로 이루는 것이다. 제 3결상소자(28)에는, 가간섭광(La1)에 의해 생긴 1회 회절광(Lb1)이 회절격자(11)에서 입사된다. 또 이 제 3결상소자(28)에는, 반사기(25)에 의해 반사된 1회 회절광(Lb1)이 회절격자(11)로부터의 입사방향과 반대의 방향에서 입사된다. 제 3결상소자(28)는, 회절격자(11)로부터 입사된 1회 회절광(Lb1)을 평행광으로 하여 반사기(26)에 조사한다. 또 제 3결상소자(28)는, 반사기(26)에 의해 수직으로 반사된 평행광의 1회 회절광(Lb1)을 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 가간섭광(La1)의 입사점과 동일위치에, 소정의 빔지름으로 결상시킨다.
제 4결상소자(29)는, 소정의 개구수를 갖는 렌즈 등의 광학소자로 이루는 것이다. 제 4결상소자(29)에는, 가간섭광(La2)에 의해 생긴 1회 회절광(Lb2)이 회절격자(11)에서 입사된다. 또 이 제 4결상소자(29)에는, 반사기(27)에 의해 반사된 1회 회절광(Lb2)이 회절격자(11)로부터 입사방향과 반대의 방향에서 입사된다. 제 4결상소자(29)는, 회절격자(11)로부터 입사된 1회 회절광(Lb2)을 평행광으로 하여 반사기(27)에 조사한다. 또 제 4결상소자(29)는, 반사기(27)에 의해 수직으로 반사된 평행광의 1회 회절광(Lb2)을 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 가간섭광(La2)의 입사점과 동일위치에, 소정의 빔지름으로 결상시킨다.
이와 같은 반사광학계(16)는, 가간섭광(La1, La2)이 회절됨으로써 생기는 회절격자(11)에 조사되므로써 생기는 1회 회절광(Lb1, Lb2)을 반사하여, 재차 회절격자(11)에 조사한다. 재차 회절격자(11)에 조사된 1회 회절광(Lb1, Lb2)은 회절격자(11)에 의해 회절한다. 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 회절됨으로써 생기는 2회 회절광(Lb1, Lb2)은, 가간섭광(La1, La2)과 동일광로를 역행하여, 조사수광 광학계(15)의 하프미러(22)에 조사된다.
가간섭광(La1, La2), 1회 회절광(Lb1, Lb2), 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 광로순을 도 11에 도시하고, 각 빛의 광로에 대하여 설명한다. 또한 이 도 11에 도시하는 광로는, 모식적인 것이며, 각 빛의 광축을 한정하는 것이 아니다.
가간섭광원(12)에서 출사된 하나의 가간섭광(La)은, 제 1결상소자(21)를 통과하여, 하프미러(22)에 의해 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분할된다.
하프미러(22)를 투과한 한편의 가간섭광(La1)은, 반사기(23)에 의해 반사되고, 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 소정의 점(P)에 결상된다. 그리고, 이 소정의 점(P)에 결상된 한편의 가간섭광(La1)이 회절하고, 예를 들면, 회절격자(11)를 투과한 1회 회절광(Lb1)이 생긴다. 이 1회 회절광(Lb1)은, 이 소정의 점(P)에서 발생한다. 발생한 1회 회절광(Lb1)은, 제 3결상소자(28)를 통과하여 평행광이 되고, 반사기(26)에 조사된다. 반사기(26)에 조사된 1회 회절광(Lb1)은, 이 반사기(26)에 의해 수직으로 반사되고, 제 3결상소자(28)를 역방향에서 재차 통과하여, 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 소정의 점(P)에 결상된다. 그리고, 이 소정의 점(P)에 결상된 1회 회절광(Lb1)이 회절하고, 예를 들면, 회절격자(11)에서 회절한 2회 회절광(Lc1)이 생긴다. 이 2회 회절광(Lc1)은, 가간섭광(La1)과 동일광로를 역행하고 하프미러(22)에 입사한다.
또, 하프미러(22)에 의해 반사된 타편의 가간섭광(La2)은, 반사기(26)에 의해 반사되고, 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 소정의 점(P)에 결상된다. 그리고, 이 소정의 점(P)에 결상된 한편의 가간섭광(La2)이 회절하고, 예를 들면, 회절격자(11)를 투과한 1회 회절광(Lb2)이 생긴다. 이 1회 회절광(Lb2)은, 이 소정의 점(P)에서 발생한다. 발생한 1회 회절광(Lb2)은, 제 4결상소자(29)를 통과하여 평행광이 되고, 반사기(27)에 조사된다. 반사기(27)에 조사된 1회 회절광(Lb2)은, 이 반사기(27)에 의해 수직으로 반사되고, 제 4결상소자(29)를 역방향에서 재차 통과하여, 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 소정의 점(P)에 결상된다. 그리고, 이 소정의 점(P)에 결상된 1회 회절광(Lb2)이 회절하고, 예를 들면, 회절격자(11)에서 회절한 2회 회절광(Lc1)이 생긴다. 이 2회 회절광(Lc2)은, 가간섭광(La2)과 동일광로를 역행하고 하프미러(22)에 입사한다.
하프미러(22)에 입사한 2회 회절광(Lc1)은, 이 하프미러(22)에 입사된다. 또 하프미러(22)에 입사한 2회 회절광(Lc2)은, 이 하프미러(22)를 투과한다. 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)은, 이 하프미러(22)에 의해 중합되어 간섭한다. 간섭한 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)은, 제 2결상소자(25)를 통과하여, 수광소자(13)의 수광면(13a)상에 결상된다.
이상과 같은 구성의 광학식 변위측정장치(10)에서는, 가동부분의 이동에 따라서 회절격자(11)가 격자벡터방향으로 이동함으로써, 2개의 2회 회절광(Lb1, Lb2)에 위상차가 생긴다. 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 이 2개의 2회 회절광(Lb1, Lb2)을 간섭시켜서 간섭신호를 검출하고, 이 간섭신호에서 2개의 2회 회절광(Lb1, Lb2)의 위상차를 구하고, 회절격자(11)의 이동위치를 검출한다.
여기서, 예를 들면 도 9에 도시하는 바와 같이, 회절격자(11)의 격자벡터방향의 일단이 법선벡터방향의 일방향(예를 들면, 도 9중 화살표 X3방향)으로 이동하고, 타단이 법선벡터방향의 다른 방향(예를 들면, 도 9중 화살표 X4방향)으로 이동하고, 격자면(11a)이 경사졌다고 한다. 이 경우, 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)의 회절각이 변화한다. 그 때문에, 반사광학계(16)내를 통과할 때의 각 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 광축이 변화한다. 예를 들면, 각 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 도 9중 점선으로 도시하는 바와 같이, 그 광로가 변화한다.
그런데, 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 가간섭광원(12)이 발광한 가간섭광(La)을 제 1결상소자(21)가 회절격자(11)의 격자면(11a)에 결상하고 있는 동시에, 제 3결상소자(28) 및 제 4결상소자(29)가, 각각의 1회 회절광(Lb1, Lb2)을 평행광으로서 각 반사기(26, 27)를 상시 수직으로 조사하고 있다. 이 때문에, 반사기(26) 또는 반사기(27)에 의해 반사된 각 1회 회절광(Lb1, Lb2)은, 그 광축이 엇갈린 경우라도, 반드시 입사하였을 때와 같은 광로를 역행하여 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 동일 입사점에 입사한다. 따라서 광학식 변위측정장치(10)에서는, 1회 회절광(Lb1, Lb2)에 의해 생기는 2회 회절광(Lc1, Lc2)이, 회절격자(11)가 경사진 경우라도 상시 동일광로를 통과하게 된다. 또 광로길이의 변화도 없다.
이것에 의해, 본 발명의 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치(10)에서는, 2개의 회절광(Lb1, Lb2)이 서로 엇갈리지 않고 중합된다. 그 때문에 회절격자(11)가 격자벡터에 평행한 방향 이외로 이동 등을 한 경우, 예를 들면 회절격자(11)가 경사진다던지, 회절격자(11)에 굴절 등이 있었던 경우라도, 수광소자(13)가 검출하는 간섭신호가 저하하지 않는다. 따라서, 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 이동하는 가동부분의 이동위치를 고분해능으로, 또한 고정밀도로 검출할 수 있다. 또 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 공작기계 등의 가동부분에의 부착위치의 자유도가 증가하고, 또, 이 가동부분에 진동이나 흔들림이 있어도 안정하게 위치검출을 할 수 있다.
또 광학식 변위측정장치(10)에서는, 제 2결상소자(25)를 이용하여 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광면(13a)에 결상시키면, 빔의 게라레가 생기지 않고, 더욱 고정밀도로 위치검출을 할 수 있다.
또 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 제 1결상소자(21) 및 제 2결상소자(25)의 개구를 크게함으로써, 회절격자(11)와 조사광학계(15)와의 간격을 크게할 수 있고, 또 소형의 수광소자(13)를 이용할 수 있다. 또 설계가 간이하게 된다. 또 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 제 3결상소자(28) 및 제 4결상소자(29)의 개구를 크게함으로써, 회절격자(11)와 반사광학계(16)와의 간격을 크게할 수 있고, 설계가 간이하게 된다.
또 광학식 변위측정장치(10)에서는, 가간섭광(La1)(및 2회 회절광(Lc1, Lc2))과의 광로길이를 같으게 하고, 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)과의 광로길이를 같으게 함으로써, 파장의 변동에 기인하는 측정오차가 생기지 않게 할 수 있다. 그 때문에, 이 광학식 변위측정장치(10)에서는, 각 광로길이의 조정을 행하기 위해, 광로길이의 차를 간섭줄무늬의 변조율의 변화로서 검출하는 것이 가능한 가간섭성을 갖는 가간섭광을 발광하는 가간섭광원(12)을 이용하여도 좋다. 예를 들면 가간섭 거리가 수백μm 정도의 짧은 멀티모드의 반도체레이저를 가간섭광원(12)에 이용하면, 간섭줄무늬의 변조율이 최대가 되도록 하프미러(22)의 위치를 조정함으로써, 각 광로길이의 차를 수10μm 이하로 억제할 수 있다.
또한, 이상 본 발명의 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치에서는, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 회절격자(11)의 격자면(11a)의 동일점에 입사하고 있다. 예를 들면 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 동일입사점(P)에 입사하고 있다. 그렇지만, 이 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치(10)에서는, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 회절격자(11)의 격자면(11a)의 동일점에 입사하지 않고, 다른 점에 입사하여도 좋다. 예를 들면 도 12에 도시하는 바와 같이, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2))을 격자벡터방향으로 소정량 떨어트린 P’와 P’’에 입사하여도 좋다.
이와 같이 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)과의 입사위치를 엇갈리게 한 광학식 변위측정장치(10)라도, 거의 동일한 효과를 가질 수 있다
또한 이 경우, 간섭시키는 회절광(Lb) 이외의 예를 들면 0차 회절광이나 반사광 등이 조사수광광학계(15) 및 반사광학계(16)에 혼입하지 않는다. 따라서 측정노이즈를 적게할 수 있고, 또 이동하는 가동부분의 이동위치를 고분해능으로 또한 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 입사점간의 거리가 긴 경우에는 X3, X4방향으로 경사졌을 때는 수광면(13a)의 결상위치가 다소 엇갈리게 되므로, 이 입사점간의 거리는 짧은 편이 좋다.
또 광학식 변위측정장치(10)에서는, 격자벡터방향으로 소정량 떨어트려 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사하는 것뿐 아니라, 도 13에 도시하는 바와 같이 격자벡터방향으로 소정량 떨어트린 위치에, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사하여도 좋다. 이 경우, 회절격자(11)의 격자벡터방향(도 13중 X3방향)의 일단이 법선벡터방향의 일방향으로 이동하고, 타단이 법선벡터방향의 타방향(도 13중 X4방향)으로 이동하여, 격자면(11a)이 경사졌다고 하여도 2개의 회절광(Lb1, Lb2)의 수광소자(13)의 수광면(13a)상의 결상위치는 엇갈리지 않는다.
다음에, 반사형의 회절격자(11)를 이용하여 본 발명을 적용한 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치에 대하여 설명한다. 또한 이 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하는데 있어서, 상기 제 1광학식 변위측정장치와 동일한 구성요소에 대해서는, 도면중에 동일부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다. 또 제 3실시형태 이후에 대해서도, 거기까지의 실시형태와 동일한 구성요소에 대해서는, 도면중에 동일부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다.
도 14에 이 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 모식적인 사시도를 나타낸다.
여기서, 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 격자벡터방향으로 평행한 하나의 가상적인 직선을 직선(n)으로 한다. 또, 직선(n)을 포함하는 법선벡터에 평행한 가상적인 면을 기준면(m1)으로 한다. 또 직선(n)을 포함하여 기준면(m1)과의 이루는 각이 γ로 되어 있는 가상적인 면을 경사면(m2)으로 한다. 또, 직선(n)을 포함하여 기준면(m1)과의 이루는 각이 δ로 되어 있는 가상적인 면을 경사면(m3)으로 한다. 또, 경사면(m2)과 경사면(m3)은 회절격자(11)의 격자면(11a)에 대하여, 동일면측에 있는 것으로 한다.
도 15에, 경사면(m2)상에 배치된 구성요소를 이 경사면(m2)에 대하여 수직한 방향에서 본 모식적인 도면을 나타낸다. 또 16에, 회절격자(11)에 입사되는 가간섭광 및 이 회절격자(11)에 의해 회절되는 회절광을 격자벡터방향에서 본 모식적인 도면을 나타낸다. 또 17에, 경사면(m3)상에 배치된 구성요소를 이 경사면(m3)에 대하여 수직한 방향에서 본 모식적인 도면을 나타낸다.
본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치는, 반사형의 회절격자(11)를 갖추고, 공작기계 등의 가동부분의 위치검출을 행하는 장치이다.
광학식 변위측정장치(40)는, 도 14 및 도 15에 도시하는 바와 같이, 가간섭광(La)을 출사하는 가간섭광원(12)과, 간섭한 2개의 2회 회절광(Lb1, Lb2)을 수광하여 간섭신호를 생성하는 수광소자(13)와, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분할하여 회절격자(11)에 조사하는 동시에, 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lb1, Lb2)을 중합하여 수광소자(13)에 조사하는 조사광학계(41)를 갖추고 있다.
조사수광광학계(41)는, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 회절격자(11)의 격자면(11a)상에 결상시키는 제 1결상소자(21)와, 가간섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 편광방향의 직교하는 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분리하는 동시에, 편광방향의 직교하는 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 중합하는 편광빔 스플리터(43)와, 편광빔 스플리터(43)에 의해 분리된 한편의 가간섭광(La1)을 반사하는 동시에 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lb1)을 반사하는 반사기(23)와, 편광빔 스플리터(43)에 의해 분리된 타편의 가간섭광(La2)을 반사하는 동시에, 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 반사하는 반사기(24)와, 편광빔 스플리터(43)에 의해 중합된 편광방향의 직교하는 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광소자(13)의 수광면(13a)에 결상시키는 제 2결상소자(25)와, 편광빔 스플리터(43)에 의해 중합된 편광방향의 직교하는 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 동일의 편광방향의 성분을 취출하는 편광판(46)을 가지고 있다.
이 조사수광광학계(41)는, 통과하는 가간섭광(La)(La1, La2)의 광로 및 통과하는 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 광로가, 경사면(m2)상에 형성되도록 각 부재가 배치되어 있다. 그 때문에, 가간섭광(La1, La2) 및 2회 회절광(Lc1, Lc2)은, 도 16에 도시하는 바와 같이, 격자벡터방향에서 본 입사각 및 회절각이 γ로 되어 있다.
가간섭광원(12)에서 출사되는 가간섭광(La)은, 조사수광광학계(41)의 편광빔 스플리터(43)에 대하여, 편광방향을 45도 경사하여 입사된다.
편광빔 스플리터(43)는, 입사된 가간섭광(La)을 편광방향이 직교하는 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분할한다. 조사수광광학계(41)의 편광빔 스플리터(43)를 투과한 가간섭광(La1)은 P편광의 빛이 되고, 반사한 가간섭광(La2)은 S편광의 빛으로 된다.
또, 편광빔 스플리터(43)에는, 회절격자(11)에 의해 2회 회절된 2회 회절광(Lc1, Lc2)이 입사된다. 여기서, 2회 회절광(Lc1)은 원래는 P편광의 빛이나, 후술하는 반사광학계(42)에 의해 편광방향이 90도 회전시켜지면서 S편광의 빛으로 되어 있다. 동일하게 2회 회절광(Lc2)은 원래는 S편광의 빛이나, 후술하는 반사광학계(42)에 의해 편광방향이 90도 회전시켜지면서 P편광의 빛으로 되어 있다. 따라서 이 편광빔 스플리터(43)는, S편광의 빛인 2회 회절광(Lc1)을 반사하고, P편광의 빛인 2회 회절광(Lc1)을 투과하여, 이들 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 중합한다.
반사기(23)는, 편광빔 스플리터(43)를 투과한 가간섭광(La1)을 반사하여, 회절격자(11)의 격자면(11a)의 소정위치에 조사한다. 또 반사기(23)는, 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lc1)을 반사하여, 편광빔 스플리터(43)에 조사한다.
반사기(24)는, 편광빔 스플리터(43)에 의해 반사된 가간섭광(La2)을 반사하여, 회절격자(11)의 격자면(11a)의 소정위치에 조사한다. 또 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lc2)을 반사하여, 편광빔 스플리터(43)에 조사한다.
반사기(23) 및 반사기(24)는, 경사면(m2)상에 있어서의 입사각이 α가 되도록, 가간섭광(La1) 및 가간섭광(La2)을 회절격자(11)의 격자면(11a)상의 소정위치에 조사하고 있다. 또한 반사기(23) 및 반사기(24)는, 그 반사면이 서로가 마주보도록 배치되어 있다. 그 때문에, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)은, 격자벡터방향의 입사방향이 서로 역방향으로 되어 있다. 또 반사기(23) 및 반사기(24)는, 격자벡터방향으로 소정량 떨어트린 위치에 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사하고 있다. 가간섭광(La1)의 입사점과 가간섭광(La2)의 입사점과의 사이의 거리는 1로 되어 있다.
편광판(46)은, 편광빔 스플리터(43)에 의래 중합된 S편광의 빛인 2회 회절광(Lc1)과 P편광의 빛인 2회 회절광(Lc2)이 투과한다. 이 편광판(46)은, 2회 회절광(Lc1) 및 2회 회절광(Lc2)에 대하여, 각각의 빛의 편광방향이 45도의 성분을 투과하여, 서로 동일 편광방향의 빛으로 한다.
수광소자(13)는, 이 편광판(46)을 투과한 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광한다.
광학식 변위측정장치(40)에서는, 이와 같은 가간섭광(La1)이 회절격자(11)에 조사됨으로써 이 가간섭광(La1)이 회절하고, 1회 회절광(Lb1)이 생긴다. 또, 이와 같은 가간섭광(La2)이 회절격자(11)에 조사됨으로써 이 가간섭광(La2)이 회절하고, 1회 회절광(Lb2)이 생긴다. 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)의 회절각은, 격자벡터방향에서 본 경우, 도 16에 도시하는 바와 같이 δ로 되어 있다. 즉, 경사면(m3)에 따라서 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 생긴다. 또 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)의 경사면(m3)상에 있어서의 회절각은 β로 되어 있다. 또한, 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)은, 격자벡터방향에 있어서의 출사방향이 서로 역방향으로 되어 있다.
또 광학식 변위측정장치(40)는, 도 14 및 도 17에 도시하는 바와 같이, 반사광학계(42)를 갖추고 있다.
반사광학계(42)는, 가간섭광(La1)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb1)을 반사하여 재차 회절격자(11)에 조사하는 반사기(26)와, 가간섭광(La2)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb2)을 반사하여 재차 회절격자(11)에 조사하는 반사기(27)와, 가간섭광(La1)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb1)을 평행광으로서 상기 반사기(26)에 조사하는 제 3결상소자(28)와, 가간섭광(La2)에 의해 생기는 1회 회절광(Lb2)을 평행광으로서 상기 반사기(27)에 조사하는 제 4결상소자(29)와, 1회 회절광(Lb1)의 광로상에 설치된 1/4파장판(44)과, 1회 회절광(Lb2)의 광로상에 설치된 1/4파장판(45)을 가지고 있다.
반사광학계(42)는, 상술한 바와 같이 2개의 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 격자벡터방향에서 본 회절각이 δ로 되어 있기 때문에, 통과하는 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 광로가 경사면(m3)상에 형성되도록 각 부재가 배치되어 있다. 또 반사광학계(42)의 반사기(26)와 반사기(27)와는, 경사면(m3)상에 있어서의 회절각β로 회절된 1회 회절광(Lb1, Lb2)을 수직으로 반사가능한 위치에 배치되어 있다.
또 1/4파장판(44)은, 회절격자(11)에서 입사하는 P편광의 빛의 1회 회절광(Lb1)의 편광방향에 대하여, 45도 광학축을 경사지게하여 배치되어 있다. 1회 회절광(Lb1)은, 이 1/4파장판(44)을 2회 통과하여 회절격자(11)에 결상된다. 그 때문에, P편광의 빛이었던 1회 회절광(Lb1)이 S편광의 빛으로 되어, 회절격자(11)에 조사된다.
또 1/4파장판(44)은, 회절격자(11)에서 입사하는 S편광의 빛의 1회 회절광(Lb2)의 편광방향에 대하여, 45도 광학축을 경사지게하여 배치되어 있다. 1회 회절광(Lb2)은, 이 1/4파장판(44)을 2회 통과하여 회절격자(11)에 결상된다. 그 때문에, S편광의 빛이었던 1회 회절광(Lb2)이 P편광의 빛으로 되어, 회절격자(11)에 조사된다.
이와 같은 반사광학계(42)에서, 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 회절격자(11)에서 입사된다. 이 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 격자벡터방향에서 본 입사각은, 이 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 회절각과 같으게 δ가 된다. 또 경사면(m3)상에 있어서의 입사각은, 동일하게 회절각과 같으게 β가 된다.
또, 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 회절함으로써, 2회 회절광(Lc1, Lc2)이 생긴다. 이 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 격자벡터방향에서 본 회절각은, 가간섭광(La1, La2)의 입사각과 같으게 γ가 된다. 또 경사면(m2)상의 회절각은, 동일하게 가간섭광(La1, La2)의 입사각과 같으게 α가 된다.
따라서, 2회 회절광(Lc1, Lc2)은 가간섭광(La1, La2)과 동일광로를 역행하여, 편광빔 스플리터(43)에 입사한다.
또 광학식 변위측정장치(40)는, 수광소자(13)로부터의 간섭신호에 의거하여 회절격자(11)의 이동위치를 검출하는 도시하지 않은 위치검출부를 갖추고 있다.
이와 같은 구성의 광학식 변위측정장치(40)는, 가동부분의 이동에 따라서 회절격자(11)가 격자벡터방향으로 이동함으로써, 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)에 위상차가 생긴다. 이 광학식 변위측정장치(40)에서는, 이 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 간섭시켜서 간섭신호를 검출하고, 이 간섭신호에서 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 위상차를 구하여, 회절격자(11)의 이동위치를 검출한다.
이상과 같이 광학식 변위측정장치(40)에서는, 기준면(m1)에 대하여 소정의 경사각을 갖는 경사면(m2)상에 조사수광광학계(41)를 배치하고, 경사면(m3)상에 반사광학계(42)를 배치함으로써, 가간섭광과 회절광이 형성하는 광로를 분리할 수 있고, 장치설계의 자유도가 증가한다. 또 격자면(11a)으로부터의 0차 회절광이나 반사광을 조사수광광학계(41)나 수광광학계(42)에 혼입시키지 않고, 회절광(Lb1, Lb2)을 간섭시킬 수 있고, 고정밀도로 위치측정을 할 수 있다.
이 광학식 변위측정장치(40)에 있어서, 0차 회절광이나 반사광을 조사수광광학계(41)나 반사광학계(42)에 혼입시키지 않기 위한 조건은, 이하와 같다.
각도 γ와 각도 δ가 0이 아니고, 또한 각도 α와 각도 β가 같을 경우에는, 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사점간의 거리 1을 떨어지게 하여서, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사한다. 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)은, 회절격자(11)에 대하여 격자벡터방향으로 떨어지게 하여서 입사하여도 좋으나, 예를 들면 도 13에 도시한 바와 같이, 격자벡터방향으로 떨어지게 하여서 입사하여도 좋다.
또, 각도 γ와 각도 δ가 0인 경우에는, 각도 α와 각도 β를 같으게 하면 광로가 겹치므로, 각도 α와 각도 β를 반드시 다르게 한다. 또 이 경우, 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사점간의 거리 1을 떨어지게 하여서, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사한다. 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)은, 회절격자(11)에 대하여 격자벡터방향으로 떨어지게 하여서 입사하여도 좋으나, 예를 들면 도 13에 도시한 바와 같이, 격자방향으로 떨어지게 하여서 입사하여도 좋다.
또, 각도 γ와 각도 δ가 0이 아니고, 또한 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사각 α와 회절각 β가 다른 경우에는, 도 18, 도 19 및 도 20에 도시하는 바와 같이, 가간섭광(La1)의 입사점과 가간섭광(La2)의 입사점을 동일위치로 하여도 좋다. 이 경우 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)의 입사점을 소정거리 떨어지게 한 경우에 비하여, 회절격자(11)의 두께나 굴절율의 불균일에 의한 영향이 적게 된다. 즉, 회절격자(11)의 두께나 굴절율의 불균일의 영향에 의한 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lc2)과의 사이(혹은 2회 회절광(Lc1)과 2회 회절광(Lb2)과의 사이)의 광로길이에 차가 생기지 않고, 보다 정밀도로 위치측정을 할 수 있다.
이하 구체적으로, 회절격자(11)의 두께의 불균일이 있었던 경우의 영향에 대하여 설명한다.
중합하는 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 강도를 A1, A2, 회절격자(11)의 격자벡터방향에의 이동량을 X, 초기위상을 δ로 하면, 수광소자(13)가 검출하는 간섭신호의 강도 I는, 이하의 수학식 1에 도시하는 바와 같이 된다.
K = 2π/Λ (Λ는 격자피치)
이 간섭신호의 강도(I)는, 회절격자(11)가 Λ/4이동함으로써, 1주기분 변환한다. δ는 중합한 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 광로길이의 차에 의존하는 양이다. 따라서, 이 δ가 변동하면, 회절격자(11)가 이동하고 있지 않아도 간섭신호(I)가 변동하여 오차요인으로 된다.
예를 들면, 도 21에 도시하는 바와 같이, 유리내부에 격자가 설치된 투과형의 회절격자에 두께의 불균일이 있는 경우에 대하여 고려하여 본다. 유리의 굴절률을 n으로 하고, 레이저광(Lx)이 유리의 한편의 표면에서 타편의 표면까지 통과하는 거리를 L로 하면, 이 레이저광(Lx)이 회절격자를 통과하였을 때의 광로길이는 nL이 된다. 공기의 굴절률이 거의 1인데서, 레이저광(Lx)이 회절격자를 통과할 시의 광로길이는, 이 레이저광(Lx)이 공기중을 동거리 통과하였을 때와 비교하여, (n-1)(L)만큼 길게 된다. 따라서, 회절격자의 유리의 두께가 변화하고, 레이저광(Lx)이 유리의 한편의 표면에서 타편의 표면까지 통과하는 거리가 L+△L 변화하였다고 하면, 그 광로길이는 (n-1)△L만큼 변화하게 된다. 또, 특히 2회 회절을 할 경우에는, 유리층을 2회 통과하기 때문에, 그 광로길이는 배의 2(n-1)△L만큼 변화하게 된다.
이것을 근거로 하여, 예를 들면 도 22에 도시하는 바와 같이, 한편의 레이저광(Lx1)은 회절격자의 두께의 불균일이 없는 위치를 투과하고, 타편의 레이저광(Lx2)은 회절격자의 두께의 불균일이 있는 위치를 투과하는 2개의 레이저광에 대하여 고려하여 본다. 레이저광(Lx2)의 두께의 불균일을 통과하는 길이를 +△L로 하면, 2개의 레이저광(Lx1, Lx2)의 광로길이의 차는 (n-1)△L이 된다. 따라서, 상기의 식(1)에서 나타낸 δ가 {(n-1)△L}·2π/λ(λ는 빔 A, B의 파장)만큼 변화하게 된다, 2회 회절을 하는 경우에는, δ가 {2(n-1)△L}·2π/λ가 되고, 위치검출의 오차량은 (Λ/2λ)(n-1)△L이 되고, 예를 들면, Λ=0.55μm, λ=0.78μm, n=1.5, △L=1μm로 하면, 약 0.18μm가 된다. 따라서, 이 오차는 예를 들면, 나노미터오더의 위치검출을 행하는 경우에는 상당히 큰 값이 된다.
또한, 이상 투과형의 회절격자를 예로 들어 설명하였으나, 반사형의 회절격자에 대하여도 유리에 의해 격자가 커버되어 있는 것이라면 동일하게 오차가 생기고, 또 유리에 의해 격자가 커버되어 있지 않은 것이라면 요철에 의한 레이저광의 통과거리의 변화가 그대로 광로길이의 변화로 되어 오차가 생긴다.
이와 같이, 회절격자(11)에 두께의 불균일이 있었던 경우에는, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)의 입사점을 소정거리 떨어져 있게 하면 오차가 생긴다.
그 때문에, 이 광학식 변위측정장치(40)에서는, 기준면(m1)에 대하여 소정의 경사각을 가진 경사면(m2)상에 조사광학계(41)를 배치하고, 경사면(m3)상에 수광광학계(42)를 배치하고, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)과를 회절격자(11)상의 동일점에 입사함으로써, 회절격자(11)의 두께나 굴절률의 불균일에 의한 오차를 하지 않게 할수 있고, 또한 고정밀도로 위치검출을 할 수 있다. 즉, 회절격자(11)의 두께나 굴절률의 불균일에 의한 오차는, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)이 다른 위치를 통과하기 때문에 생기는 것이고, 동일점을 통과하는 경우에는 생기지 않으므로, 이와 같이 동일점에 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사하면 고정밀도로 위치검출을 할 수 있다. 또, 예를 들면 회절격자(11)가 유리 등으로 커버되어 있는 것일 때는, 2개의 가간섭광(La1, La2)을 완전히 동일의 광로를 통과시키는 것은 곤란하지만, 격자면(11a)의 거의 동일 위치에 입사하면, 가장 오차를 작게 할 수 있다.
가간섭광의 입사각(및 1회 회절광의 회절각)(α, γ), 1회 회절광의 회절각(및 1회 회절광의 입사각)(β, δ)의 관계는, 이하의 수학식 2, 수학식 3에 나타내는 바와 같이 된다.
d : 회절격자의 피치
λ : 빛의 파장
m : 회절차수
따라서, α=β의 경우에는 γ=δ가 되고, α≠β의 경우에는 γ≠δ가 된다.
또한, 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치(40)에서는, 가간섭광(La1, La2) 및 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 반사하는 반사기(23, 24)를 사용하고 있으나, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 동일점에 입사하지 않을 경우에는, 예를 들면 도 23에 도시하는 바와 같이 반사기(23, 24)를 사용하지 않고 구성하여도 좋다.
다음에, 투과형의 회절격자(11)를 이용하여 본 발명을 적용한 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치에 대하여 설명한다.
도 24에, 이 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치의 모식적인 사시도를 나타낸다.
여기서, 직선(n), 기준면(m1), 경사면(m2)의 관계는, 상기 제 2실시형태와 동일하다. 또, 직선(n)을 포함하여 기준면(m1)과의 이루는 각이 δ로 되어 있고, 경사면(m2)에 대하여 격자면(11a)을 끼워서 반대측에 있는 가상적인 면을 경사면(m3')으로 한다.
도 25에, 경사면(m2)상에 배치된 구성요소를 이 경사면(m2) 및 경사면(m3')에 대하여 수직방향에서 본 모식적인 도면을 나타낸다. 도 26에, 회절격자(11)에 입사되는 가간섭광 및 이 회절격자(11)에 의해 회절되는 회절광을 격자벡터방향에서 본 모식적인 도면을 나타낸다.
본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치는, 투과형의 회절격자(11)를 갖추고, 동작기계 등의 가동부분의 위치검출을 행하는 장치이다.
광학식 변위측정장치(50)는, 도 24 및 도 25에 도시하는 바와 같이, 가간섭광(La)을 출사하는 가산섭광원(12)과, 간섭한 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 수광하여 간섭신호를 생성하는 수광소자(13)와, 가산섭광원(12)에서 출사된 가간섭광(La)을 2개의 가간섭광(La1, La2)에 분할하여 회절격자(11)에 조사하는 동시에, 회절격자(11)로부터의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 중합하여서 수광소자(13)에 조사하는 조사수광광학계(41)를 갖추고 있다.
이 조사수광광학계(41)는, 통과하는 가간섭광(La)(La1, La2)의 광로 및 통과하는 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 광로가 경사면(m2)상에 형성되도록 각 부재가 배치되어 있다. 그 때문에, 가간섭광(La1, La2) 및 2회 회절광(Lc1, Lc2)은 도 26에 도시하는 바와 같이, 격자벡터방향에서 본 입사각이 γ로 되어 있다.
반사기(23) 및 반사기(24)는, 경사면(m2)상에 있어서의 입사각이 α가 되도록, 가간섭광(La1) 및 가간섭광(La2)을 격자면(11a)상의 소정의 위치에 조사하고 있다. 또한, 반사기(23) 및 반사기(24)는, 그 반사면이 서로가 마주 보도록 배치되어 있다. 그 때문에 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)은, 격자벡터방향의 입사방향이 서로 역방향으로 되어 있다. 또 반사기(23) 및 반사기(24)는, 격자벡터방향으로 소정량 떨어진 위치에, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사하고 있다. 가간섭광(La1)의 입사점과 가간섭광(La2)의 입사점과의 사이의 거리는 1로 되어 있다.
광학식 변위측정장치(50)에서는, 이와 같은 가간섭광(La1)이 회절격자(11)에 조사되므로써 이 가간섭광(La1)이 회절하고, 1회 회절광(Lb1)이 생긴다. 또, 이와 같은 가간섭광(La2)이 회절격자(11)에 조사되므로써 이 가간섭광(La2)이 회절하고, 1회 회절광(Lb2)이 생긴다. 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)의 회절각은, 격자벡터방향에서 본 경우, 도 26에 도시하는 바와 같이 δ로 되어 있다. 또, 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)의 경사면(m3')상에 있어서의 회절각은 β로 되어 있다. 또한, 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)은, 격자벡터방향에 있어서의 출사방향이 서로 역방향으로 되어 있다.
또, 광학식 변위측정장치(50)는, 도 24 및 도 25에 도시하는 바와 같이, 반사광학계(42)를 갖추고 있다.
.반사광학계(42)는, 2개의 회절광(Lb1, Lb2)의 격자벡터방향에서 본 회절각이 δ으로 되어 있기 때문에, 통과하는 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 광로가 경사면(m3')상에 형성되도록, 각 부재가 배치되어 있다. 또, 반사광학계(42)의 반사기(26)와 반사기(27)와는, 경사면(m3')상에 있어서의 회절각 β로 회절된 1회 회절광(Lb1, Lb2)을 수직으로 반사가능한 위치에 배치되어 있다.
이와 같은 반사광학계(42)에서, 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 회절격자(11)에 입사된다. 이 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 격자벡터방향에서 본 회절각은, 이 1회 회절광(Lb1, Lb2)의 회절각과 같으게 δ가 된다. 또 경사면(m3')상에 있어서의 입사각은, 동일하게 회절각과 같으게 β가 된다.
또, 이 1회 회절광(Lb1, Lb2)이 회절함으로써, 2회 회절광(Lc1, Lc2)이 생긴다. 이 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 격자벡터방향에서 본 회절각은, 가간섭광(La1, La2)의 입사각과 같으게 γ가 된다. 또 경사면(m2)상의 회절각은, 동일하게 가간섭광(La1, La2)의 입사각과 같으게 α가 된다.
따라서, 2회 회절광(Lc1, Lc2)은 가간섭광(La1, La2)과 동광로를 역행하여, 편광빔 스플리터(43)에 입사한다.
또 광학식 변위측정장치(50)는, 수광소자(13)로부터의 간섭신호에 의거하여 회절격자(11)의 이동위치를 검출하는 도시하지 않은 위치검출부를 갖추고 있다.
이와 같은 구성의 광학식 변위측정장치(50)에서는, 가동부분의 이동에 따라서 회절격자(11)가 격자벡터방향으로 이동함으로써, 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)에 위상차가 생긴다. 이 광학식 변위측정장치(50)에서는, 이 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 간섭시켜서 간섭신호를 검출하고, 이 간섭신호에서 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 위상차를 구하고, 회절격자(11)의 이동위치를 검출한다.
이상과 같이 광학식 변위측정장치(50)에서는, 기준면(m1)에 대하여 소정의 경사각을 가진 경사면(m2)상에 조사수광광학계(41)를 배치하고, 경사면(m3')상에 반사광학계(42)를 배치함으로써, 가간섭광, 1회 회절광, 2회 회절광을 형성하는 광로를 분리할 수 있고, 장치의 설계의 자유도가 증가한다. 또, 격자면(11a)으로부터의 0차 회절광이나 반사광을 조사수광광학계(41)나 반사광학계(42)에 혼입시키지 않고, 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 간섭시킬 수 있고, 고정밀도로 위치측정을 할수 있다.
이 광학식 변위측정장치(50)에 있어서, 0차회절광이나 반사광을 조사수광광학계(41)나 반사광학계(42)에 혼입시키지 않기 위한 조건은, 이하와 같다.
각도 γ와 각도 δ가 0이 아니고 또한 각도 α와 각도 β가 같은 경우에는, 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사점간의 거리 1을 떨어지게하여, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사한다. 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)은, 회절격자(11)에 대하여 격자벡터방향으로 떨어지게하여 입사하여도 좋으나, 예를 들면 도 13에 도시한 바와 같이, 격자방향으로 떨어지게하여 입사하여도 좋다.
또 각도 γ와 각도 δ가 함께 0인 경우에는, 각도 α와 각도 β를 같으게 하는 것으로 하여도, 각도 α와 각도 β를 다른 것으로 하여도 좋다. α=β의 경우도 α≠β의 경우도 함께, 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사점간의 거리 1을 떨어지게하여, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 입사한다. 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)은, 회절격자(11)에 대하여 격자벡터방향으로 떨어지게하여 입사하여도 좋으나, 예를 들면 도 13에 도시한 바와 같이, 격자방향으로 떨어지게하여 입사하여도 좋다.
또 각도 γ와 각도 δ가 0이 아니고 또한 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사각 α와 회절각 β가 다른 경우에는, 가간섭광(La1)의 입사점과 가간섭광(La2)의 입사점과를 동일위치로 하여도 좋다.
또 각도 γ와 각도 δ가 0이 아니고 또한 0차 회절광이 수광소자(13)에 조사되지 않을 정도로 입사각 α와 회절각 β가 다른 경우에는, 도 27 및 도 28에 도시하는 바와 같이, 가간섭광(La1)의 입사점과 가간섭광(La2)의 입사점을 동일위치로 하여도 좋다. 이 경우, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)의 입사점을 소정거리 떨어지게 한 경우에 비하여, 회절격자(11)의 두께나 굴절율의 불균일에 의한 영향이 적어진다. 즉, 회절격자(11)의 두께나 굴절율의 불균일에 의한 영향에 의한 1회 회절광(Lb1)과 1회 회절광(Lb2)의 사이(혹은 2회 회절광(Lc1)과 2회 회절광(Lc2)과의 사이)의 광로길이의 차가 생기지 않고, 보다 정밀도로 위치측정을 할 수 있다. 이 이유는 상술한 제 2실시형태와 동일하다.
또한 본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치(50)에서는, 가간섭광(La1, La2) 및 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 반사하는 반사기(23, 24)를 사용하고 있으나, 가간섭광(La1)과 가간섭광(La2)을 동일점에 입사하지 않는 경우에는, 예를 들면 도 29에 도시하는 바와 같이, 반사기(23, 24)를 사용하지 않고 구성하여도 좋다.
다음에, 본 발명을 적용한 제 4실시형태의 광학식 변위측정장치에 대하여, 도 30을 이용하여 설명한다. 또한, 이 제 4실시형태는 상기 제 2실시형태 및 제 3실시형태의 구성요소를 일부 변형한 것이고, 이하, 상기 제 2실시형태 및 제 3실시형태의 구성요소중 변형하고 있지 않은 구성요소에 대하여는 그 상세한 설명을 생략한다.
광학식 변위측정장치(60)는, 조사수광광학계(41)의 제 2결상소자(25) 및 편광판(46)으로 바꿔서 도 30에 도시하는 바와 같이, 1/4파장판(62)과, 제 5결상소자(63)와, 무편광빔 스플리터(64)와, 제 2편광빔 스플리터(65)와, 제 3편광빔 스플리터(66)를 이용하고 있다. 또한 이 제 4실시형태의 광학식 변위측정장치(60)를 설명하는데 있어서, 상기 제 2 및 제3실시형태에서 이용하고 있던 편광빔 스플리터(43)를 제 1편광빔 스플리터(43)라고 바꿔 말한다.
또, 이 광학식 변위측정장치(60)는 수광소자(13)로 바꾸어서, 제 1수광소자(67a, 67b)와, 제 2수광소자(68a, 68b)를 이용하고 있다.
가간섭광원(12)에서 출사되는 가간섭광(La)은, 조사수광광학계(41)의 제 1편광빔 스플리터(43)에 대하여, 편광방향이 45도 기울어서 입사된다. 이 조사수광광학계(41)의 편광빔 스플리터(43)는, 입사된 가간섭광(La)을 편광방향이 직교하는 2개의 가간섭광(La1, La2)으로 분할한다. 조사수광광학계(41)의 편광빔 스플리터(43)를 투과한 가간섭광(La1)은 P편광의 빛으로 되고, 반사한 가간섭광(La2)은 S편광의 빛으로 된다.
또, 이 조사수광광학계(41)의 제 1편광빔 스플리터(43)에는, 회절격자(11)에서 2회 회절된 2회 회절광(Lc1)과, 회절격자(11)에서 2회 회절된 2회 회절광(Lc2)이 입사된다. 여기서 2회 회절광(Lc1)은 원래는 P편광의 빛이나, 반사광학계(42)에 의해 편광방향이 90도 회전시켜지면서 S편광의 빛으로 되어 있다. 2회 회절광(Lc2)은 원래는 S편광의 빛이나, 반사광학계(42)에 의해 편광방향이 90도 회전시켜지면서 P편광의 빛으로 되어 있다. 따라서, 이 제 1편광빔 스플리터(43)는, S편광의 빛인 2회 회절광(Lc1)을 반사하고, P편광의 빛인 2회 회절광(Lc2)을 투과하여, 이들 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 중합한다.
중합된 2개의 2 회절광(Lc1, Lc2)은, 1/4파장판(62)을 통과한다. 1/4파장판(62)은 각 2회 회절광(Lc1, Lc2)의 편광방향에 대하여, 광학축이 45도 경사지도록 배치되어 있다. 그 때문에, 각 2회 회절광(Lc1, Lc2)은 이 1/4파장판(62)을 통과함으로써, 서로 역회전의 원편광의 빛으로 된다.
서로 역회전의 원편광의 빛으로 된 2회 회절광(Lc1, Lc2)은, 제 5 결상소자(63)를 통과한다.
제 5결상소자(63)는, 소정의 개구수를 가지는 렌즈 등의 광학소자로 이루는 것이다. 제 5결상소자(63)는, 2회 회절광(Lc1, Lc2)을 소정의 빔지름으로 제 1수광소자(67a, 67b) 및 제 2수광소자(68a, 68b)의 수광면에 결상시킨다. 그 결상점은 반드시도 빔지름이 최소가 되는 점으로 할 필요는 없고, 빔의 상내에서의 광로길이의 차가 최소가 되는 점이 수광면상에 위치하도록 하여도 좋다.
이 제 5결상소자(63)를 통과한 2개의 2회 회절광(Lc1, Lc2)은, 무편광빔 스플리터(64)에서 2개의 빔으로 분할된다.
분할된 한편의 빔은, 제 2편광빔 스플리터(65)에 의해 다시 편광방향이 직교하는 2개의 빔으로 분할되고, 각각 제 1수광소자(67a, 67b)에 조사된다. 또, 분할된 타편의 빔은, 제 2편광빔 스플리터(65)에 대하여 45도 경사진 제 3편광빔 스플리터(66)에 의해 다시 편광방향이 직교하는 2개의 빔으로 분할되고, 각각 제 2수광소자(68a, 68b)에 조사된다.
여기서, 서로 역방향으로 회전하는 원편광의 빛을 중합한 빛은, 2개의 빛의 위상차에 따라서 회전하는 직선편광의 빛으로 간주할 수 있다. 그 때문에, 1/4파장판(62)을 통과한 2회 회절광(Lc1, Lc2)은, 회절격자(11)의 이동에 수반하여 회전하는 직선편광의 빛으로 된다. 또, 이 직선편광의 빛을 편광판 등의 편광소자로 서로 ω도 다른 편광방향의 성분을 꺼낸 경우, 그 꺼낸 빛의 강도를 검출한 신호는 서로 2ω도 위상이 다른 신호가 된다. 그 때문에, 제 1수광소자(67a, 67b)는 제 2편광빔 스플리터(65)에 의해 꺼내진 서로 90도 다른 편광방향의 빛을 검출하므로, 검출한 신호의 위상이 서로 180도 다르게 되어 있다. 따라서, 제 1수광소자(67a, 67b)에 의해 검출한 신호의 차를 취함으로써, 직류성분을 제거한 신호를 검출할 수 있다. 또, 이것은 제 2수광소자(68a, 68b)에 관해서도 동일하다.
또, 제 3편광빔스플리터(66)에 의해 꺼내진 빛은, 제 2편광빔 스플리터(65)에 의해 꺼내지는 빛에 대하여, 각도가 45도 다르게 되어 있다. 그 때문에, 제 2수광소자(68a, 68b)에서 얻어지는 신호는, 제 1수광소자(67a, 67b)에서 얻어지는 신호에 대하여, 90도 위상이 다르게 되어 있다. 즉, 제 1수광소자(67a)와 제 1수광소자(67b)와의 검출신호의 차동신호와, 제 2수광소자(68a)와 제 2수광소자(68b)와의 검출신호의 차동신호가, 서로 90도 위상이 다르게 되어 있다. 따라서 이 광학식 변위측정장치(60)에서는, 서로 90도 위상이 다른 회절격자(11)의 이동위치를 나타내는 위치신호에 의거하여, 회절격자(11)의 이동방향을 특정할 수 있다.
이상과 같이, 이 제 4실시형태의 광학식 변위측정장치(60)에서는, 회절격자(11)의 투과율, 반사율, 회전효율 등의 영향에 의한 직류변동을 검출하는 간섭신호에서 제거할 수 있다. 또, 이 광학식 변위측정장치(60)에서는, 회절격자(11)의 이동방향을 특정할 수 있다.
이상 본 발명을 적용한 제 1∼제 4실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하였다. 각 실시형태의 광학식 변위측정장치에서는, 격자가 소정의 간격으로 평행하게 설치된 회절격자(11)를 이용하고 있으나, 본 발명에서는 이와 같은 격자가 평행하게 설치된 회절격자(11)를 이용하지 않아도 좋다. 예를 들면 도 31에 도시하는 바와 같이, 방사형으로 격자가 설치된 회절격자(11)를 이용하여도 좋다. 이와 같은 방사형으로 격자가 설치된 회절격자(11)를 이용함으로써, 회전이동을 하는 공작기계의 가동부분 등의 위치검출을 행할 수 있다. 또 본 발명에서는, 명암을 기록한 진폭형의 회절격자, 굴절율변화나 형태변화를 기록한 위상형의 회절격자를 이용하여도 좋고, 그 회절격자의 타입은 한정되지 않는다.
또, 각 실시형태의 광학식 변위측정장치에서는, 회절격자(11)를 공작기계 등의 가동부분에 부착하여서, 이 회절격자(11)가 가동부분의 이동에 따라서 이동하는 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명에서는 조사수광광학계 및 간섭광학계와, 회절격자(11)가 상대적으로 이동하면 좋다. 예를 들면 회절격자가 고정되어 있어서, 조사수광광학계 및 간섭광학계가 공작기계 등의 가동부분의 이동에 따라서 이동하여도 좋다.
또, 각 실시형태의 광학식 변위측정장치에 이용되고 있는 하프미러나 빔스플리터 및 결상소자 등은, 박막을 이용한 소자나 렌즈 등에만 한정하지 않고, 예를 들면, 회절광학소자를 이동하여도 좋다.
본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치에서는, 가간섭광이 제 1결상수단에 의해 회절격자의 격자면에 결상하고 있는 동시에, 제 1회절광이 제 2결상수단에 의해 평행광으로 되어 반사광학계의 반사기에 상시 수직으로 조사되어 있다. 따라서, 제 1회절광의 광축이 엇갈린 경우라도, 반사된 제 1회절광은 상시 입사하였을 때와 전적으로 같은 경로를 역행하고, 회절격자(1)의 격자면상의 결상위치는 변화지 않고, 이 제 1회절광이 회절함으로써 생기는 제 2회절광의 광축이 엇갈리지 않는다. 또 광로길이의 변화도 생기지 않는다.
이것에 의해, 본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치에서는, 2개의 제 2회절광이 서로 엇갈리지 않고 중합되어서 간섭한다. 그 때문에, 회절격자가 격자벡터에 평행한 방향 이외로 이동 등한 경우, 예를 들면 회절격자가 경사진다던지, 회절격자에 굴절 등이 있었던 경우라도, 검출하는 간섭신호가 저하하지 않는다. 따라서, 이 광학식 변위측정장치에서는, 이동하는 가동부분의 이동위치를 고분해능으로, 또한 고정밀도로 검출할 수 있다.
또 광학식 변위측정장치에서는, 측정대상이 되는 공작기계 등의 가동부분에의 부착위치의 자유도가 증가하고, 또, 이 가동부분에 진동이나 흔들림 등이 있어도 안정하게 측정할 수 있다. 또 이 광학식 변위측정장치에서는, 제 1결상수단 또는 제 2결상수단의 개구를 크게함으로써, 회절격자와, 조사수광광학계, 반사광학계 혹은 간섭광학계와의 간격을 크게할 수 있고, 소형의 수광수단을 이용할 수 있고, 또 설계가 간이하게 되고, 그 자유도가 증가한다.
또, 이 광학식 변위측정장치에서는, 간섭시키는 회절광 이외의 회절광이 조사수광광학계나 간섭광학계에 혼입하지 않으므로 노이즈를 적게할 수 있고, 이동하는 고분해능으로, 또한 고정밀도로 검출할 수 있다.
또 광학식 변위측정장치에서는, 편광빔 스플리터를 이용함으로써 회절격자의 투과율, 반사율, 회절효율 등의 영향에 의한 직류변동을 검출하는 간섭신호에서 제거할 수 있고, 이동하는 가동부분의 이동위치를 고분해능으로, 또한 고정밀도로 검출할 수 있다.
본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치에서는, 2개의 가간섭광의 광로를 회절격자의 격자면에 수직한 방향에 대하여 경사진 방향으로 형성하여, 이 2개의 가간섭광을 상기 회절격자의 격자면상의 동일점에 조사한다. 그리고, 광학식 변위측정장치에서는, 이 2개의 가간섭광에 의해 생기는 2개의 2회 회절광의 위상차를 구하고, 회절격자의 상대이동위치를 검출한다.
이것에 의해, 본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치에서는, 회절격자로부터의 0차 회절광이나 반사광을 조사광학계나 수광광학계에 혼입시키지 않고, 2회 회절광을 중합할 수 있기 때문에, 안정하게 위치검출을 할 수 있다. 또 본 발명에 관계되는 광학식 변위측정장치에서는, 회절격자의 두께나 굴절율의 불균일에 의해 오차가 생기지 않고, 고정밀도로 위치측정을 할 수 있다.
도 1은 일본 특개소60-98302호 공보에서 제안되고 있는 종래의 광학식 변위측정장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 종래의 광학식 변위측정장치를 N1방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 3은 일본 특개소60-98302호 공보에서 제안되고 있는 다른 광학식 변위측정장치의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시하는 종래의 다른 광학식 변위측정장치를 N1방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 5는 상기 종래의 광학식 변위측정장치의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일본 특개평2-167427호 공보에서 제안되고 있는 광학식 변위측정장치의 사시도이다.
도 7은 일본 특개평2-167427호 공보에서 제안되고 있는 다른 광학식 변위측정장치의 수광소자에 조사되는 회절광을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명을 적용한 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 1∼제 4실시형태의 광학식 변위측정장치에 이용되는 회절격자의 사시도이다.
도 11은 상기 본 발명의 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치의 가간섭광 및 회절광의 광로에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 가간섭광의 입사위치를 바꾼 상기 본 발명의 제 1실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 상기 회절격자에 입사되는 가간섭광의 입사점을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 상기 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 경사면 m2상에 배치된 구성요소를, 이 경사면 m2에 대하여 수직한 방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 16은 상기 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 회절격자에 입사되는 가간섭광 및 이 회절격자에 의해 회절되는 회절광을 격자벡터방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 17은 상기 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 경사면 m3상에 배치된 구성요소를 이 경사면 m3에 대하여 수직한 방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 18은 가간섭광의 입사위치를 바꾼 상기 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 가간섭광의 입사위치를 바꾼 상기 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 경사면 m2상에 배치된 구성요소를 이 경사면 m2에 대하여 수직한 방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 20은 가간섭광의 입사위치를 바꾼 상기 본 발명의 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 경사면 m3상에 배치된 구성요소를 이 경사면 m3에 대하여 수직한 방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 21은 회절격자를 통과하는 레이저광의 광로길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 회절격자에 두께의 불균일이 있는 경우에, 이 회절격자를 통과하는 2개의 레이저광의 광로길이의 차를 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 상기 제 2실시형태의 광학식 변위측정장치의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치의 사시도이다.
도 25는 상기 본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치의 경사면 m2 및 경사면 m3'상에 배치된 구성요소를 이 경사면 m2 및 경사면 m3'에 대하여 수직한 방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 26은 상기 본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치의 회절격자에 입사되는 가간섭광 및 이 회절격자에 의해 회절되는 회절광을 격자벡터방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 27은 가간섭광의 입사위치를 바꾼 상기 본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 가간섭광의 입사위치를 바꾼 상기 본 발명의 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치의 경사면 m2 및 경사면 m3'상에 배치된 구성요소를 이 경사면 m2 및 경사면 m3'에 대하여 수직한 방향에서 보았을 때의 모식적인 도면이다.
도 29는 상기 제 3실시형태의 광학식 변위측정장치의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 30은 본 발명의 제 4실시형태의 광학식 변위측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 31은 본 발명의 제 1∼제 4실시형태의 광학식 변위측정장치에 이용되는 다른 회절격자를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,11. 회절격자 10,40,50,60. 광학식 변위측정장치
12. 가간섭광원 13. 수광소자
14. 위치검출부 15. 조사수광광학계
16. 반사광학계 22. 하프미러
23,24,26,27. 반사기 43. 편광빔 스플리터
44,45. 1/4파장판

Claims (11)

  1. 가간섭광이 조사되고, 이 가간섭광에 대하여 격자벡터에 평행한 방향으로 상대이동하고, 이 가간섭광을 회절하는 회절격자와,
    가간섭광을 발광하는 발광수단과,
    상기 발광수단에 의해 발광된 가간섭광을 2개의 가간섭광으로 분할하여, 상기 회절격자에 대하여 각 가간섭광을 조사하는 조사광학계와,
    상기 각 가간섭광이 상기 회절격자에 의해 회절되어서 얻어지는 2개의 제 1회절광을 각각 반사하여, 상기 회절격자에 대하여 반사된 각 제 1회절광을 조사하는 반사광학계와,
    상기 반사된 각 제 1회절광이 상기 회절격자에 의해 회절되어서 얻어지는 2개의 제 2회절광을 간섭시키는 간섭광학계와,
    간섭한 2개의 제 2회절광을 수광하여 간섭신호를 검출하는 수광수단과,
    상기 수광수단이 검출한 간섭신호에서 상기 2개의 제 2회절광의 위상차를 구하고, 상기 회절격자의 상대이동위치를 검출하는 위치검출수단을 갖추고,
    상기 조사광학계는, 상기 회절격자에 대하여 조사되는 2개의 가간섭광을 이 회절격자의 격자면에 결상시키는 제 1결상수단을 가지며,
    상기 반사광학계는, 상기 회절격자에 대하여 조사되는 2개의 제 1회절광을 각각 대응하는 가간섭광의 결상위치와 동일위치에 결상시키는 제 2결상수단을 가지는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조사광학계는, 격자면에 수직한 방향 이외의 방향에서, 상기 회절격자에 대하여 각 가간섭광을 조사하는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1결상수단은, 상기 회절격자에 조사되는 2개의 가간섭광을 상기 회절격자의 격자면상의 격자벡터에 수직한 방향으로 소정량 떨어진 위치에 결상시키는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1결상수단은, 상기 회절격자에 조사되는 2개의 가간섭광을 상기 회절격자의 격자면상의 동일 위치에 결상시키는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회절격자는, 가간섭광의 입사각과 회절광의 회절각이 다른 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 간섭광학계는, 상기 발광수단에 의해 발광된 가간섭광을 편광방향이 직교하는 2개의 가간섭광으로 분리하는 편광빔 스플리터를 가지는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 간섭광학계는,
    편광방향이 다른 2개의 제 2회절광을 중합하는 제 1편광빔 스플리터와, 이 제 1편광빔 스플리터가 중합한 2개의 제 2회절광을 서로 역방향의 원편광으로 하는 파장판과, 원편광으로 된 2개의 제 2회절광을 편광방향이 다른 2개의 간섭광으로 분리하는 제 2편광빔 스플리터와, 원편광으로 된 2개의 제 2회절광을 편광방향이 다른 2개의 간섭광으로 분리하는 제 3편광빔 스플리터를 가지며, 제 2와 제 3의 편광빔 스플리터가 투과하는 간섭광의 편광방향이 45도 다르도록 설치되어 있고,
    상기 위치검출수단은,
    상기 제 2편광빔 스플리터에 의해 분리된 편광방향이 다른 2개의 간섭광의 차동출력과, 상기 제 3편광빔 스플리터에 의해 분리된 편광방향이 다른 2개의 간섭광의 차동출력을 구하고, 상기 회절격자의 상대이동위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 회절격자는 반사형인 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 회절격자는 방사형으로 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 발광수단은, 광로길이의 차를 간섭줄무늬의 변조율의 변화로서 검출하는 것이 가능한 가간섭성을 가지는 가간섭광을 발광하는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
  11. 가간섭광이 조사되고, 이 가간섭광에 대하여 격자벡터에 평행한 방향으로 상대이동하고, 이 가간섭광을 회절하는 회절격자와,
    가간섭광을 발광하는 발광수단과,
    상기 발광수단에 의해 발광된 가간섭광을 2개의 가간섭광으로 분할하여, 상기 회절격자에 대하여 각 가간섭광을 조사하는 조사광학계와,
    상기 각 가간섭광이 상기 회절격자에 의해 회절되어서 얻어지는 2개의 제 1회절광을 각각 반사하여, 상기 회절격자에 대하여 각 제 1회절광을 조사하는 반사광학계와,
    상기 각 제 1회절광이 상기 회절격자에 의해 회절되어서 얻어지는 2개의 제 2회절광을 간섭시키는 간섭광학계와,
    간섭한 2개의 제 2회절광을 수광하여 간섭신호를 검출하는 수광수단과,
    상기 수광수단이 검출한 간섭신호에서 상기 2개의 제 2회절광의 위상차를 구하고, 상기 회절격자의 상대이동위치를 검출하는 위치검출수단을 갖추고,
    상기 조사광학계는, 상기 2개의 가간섭광의 광로를 상기 회절격자의 격자면에 수직한 방향에 대하여 경사진 평면상에 형성하고, 이 2개의 가간섭광을 상기 회절격자의 격자면상의 동일점에 조사하는 것을 특징으로 하는 광학식 변위측정장치.
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