JP5128364B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置測定装置に関する。

光学格子を備えた基準尺の走査にもとづく干渉式位置測定装置は、例えば、特許文献１に記載されている。

また、格子構造を備えた基準尺と光学走査にもとづく位置測定装置は、特許文献２に記載されている。このような位置測定装置では、偏向部品上で反射された部分光線は、光検出器に対して平行でない様々な方向で進んで行くため、それらの光検出器での衝突点は、偏向部品と光検出器との距離に依存してしまうことが欠点である。
欧州特許第０１６３３６２号明細書 国際特許第２００７／０３４３７９号明細書

本発明の課題は、偏向部品上で反射された部分光線の衝突点が偏向部品と光検出器との距離に依存しない位置測定装置を実現することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置によって、即ち、光源と、第一の格子と、第二の格子と、光検出器とを備えた位置測定装置であって、光源の光が、第一と第二の格子によって相異なる方向の部分光線に分割されるとともに、偏向部品によって光検出器の方向に偏向される位置測定装置において、偏向部品は、相異なる方向から入射する部分光線に対して、相異なる領域を備えており、そのため偏向部品から光検出器の方向に偏向される全ての部分光線がほぼ平行となることを特徴とする位置測定装置によって解決される。

本発明の更なる利点及び詳細は、以下における図面にもとづく有利な実施構成の記述から明らかとなる。

位置測定装置に関する典型的な測定課題が図１に図示されている。この場合、物体１０は、平面内をｘとｙ方向に動く。この物体のｘとｙ方向の位置測定は、以下において中心点１９と称する一点に関して行われる。

この中心点を通るｘ軸の平行線とｙ軸の平行線の延長部分におけるｘ位置とｙ位置の測定を行う場合、物体の中心点の周りの捩じれＲｚが位置の値に影響を及ぼさないので、アッベ補正測定と呼ばれている。そのような測定課題に対しては、通常干渉計が使用され、その場合測定用反射鏡１１と１２が、動く物体上に固定されるとともに、それぞれ測定方向に対して垂直に延びている。そうすることによって、物体が測定方向に対して垂直に動く場合に、干渉計用の光線が常に評価ユニット１３と１４の方向に反射して戻されることが保証される。

干渉計用の測定光線は、空気内において数ミリメートルからメートル単位の行程を戻って進まなければならないので、空気の屈折率の変動は、測定結果に非常に大きな影響を及ぼすこととなる。

前記の特許文献２の図１による位置測定装置は、一般的な干渉計の代わりに、所謂格子干渉計を使用している。

各測定方向に対して、直線的な格子が使用されており、以下において、そのような格子を基準尺格子と称する。基準尺格子は、各測定方向に延びており、ｘ方向には基準尺格子２１が、ｙ方向には基準尺格子２２が延びている。光学走査に必要な格子干渉計という意味での走査格子２３と２４は、各測定方向に対して垂直に延びており、動く物体２０と固定的に連結されている。各軸に関する照射・検出ユニット２５，２６は、位置が固定されており、動かない。

各測定軸に関する光を照射ユニットから走査位置２９，３０の方向に偏向させるために、同じく動く物体２０と連結された、測定方向に対して垂直に延びる偏向部品２７，２８が使用されている。これらの偏向部品は、光を走査位置から再び検出ユニットの方向に偏向して戻す役割も果たしている。

ここで、以下において、本発明を詳細に取り上げ、その場合ｘ軸だけについて記述するが、ｙ軸についても同様のことが言える。

図３は、本発明の第一の実施例を図示している。

照射・検出ユニット２５内には、光源４１（これは、例えば、レーザーダイオード又はＬＥＤとすることができる）が有り、その光は、発散が小さくなるように、光学部品４２（例えば、レンズ）を用いてコリメートされて、動く物体２０と照射・検出ユニット２５との間の距離Ｌｘが変化した場合に、光ビームの横断面の比率が出来る限り同じまま維持されるようになっている。偏向部品４３によって、光線は、測定方向Ｘに沿って、測定すべき動く物体２０の方向に偏向される。偏向部品４３は、光線のｘ方向への延長部がｘｙ平面の中心点を通る法線と直角に交わる方向に向けられている。測定すべき動く物体の所で、光線は、測定すべき物体の全長に渡って、或いはそれどころか全長を超えて測定方向に対して垂直に延びる偏向部品２７上に達する。測定方向に対して垂直な延びは、本発明による方法を適用する測定方向に対して垂直な領域に対応して選定すべきである。

４５°ミラーとすることができる偏向部品２７は、光線を９０°偏向させて、光線Ｂ０が第一の格子２３を貫通するようにしている。この走査格子２３とも呼ばれる第一の格子は、偏向部品２７と同様に測定方向に対して垂直に延びるとともに、測定すべき物体と固く連結されている。その測定方向における延びは、偏向部品２７に対応して選定すべきである。走査格子２３は、測定方向に対して垂直な長い格子線を有し、透過形格子として構成されている。それは、入射する光線を複数の部分光線に分割する。これらの部分光線は、基準尺格子２１とも呼ばれる第二の格子の方に進む。この基準尺格子は、測定方向に延びており、測定方向に対して垂直な格子線を有し、その長さは、ちょうど入射して来る光ビームを完全に走査することができるように選定される。基準尺格子が測定方向に対して垂直に画定されていることは、二次元的に延びる目盛を製作するには相当のコストがかかるので、大きな利点となる。基準尺格子において、部分光線から更に別の部分光線が生成される。基準尺格子が反射格子であるので、部分光線は、更なる分割を実行する走査格子の方向に偏向して戻される。部分光線対Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６（図５参照）は、走査格子を貫通後、所定の、しかし部分的に相異なる方向で偏向部品２７の方向に戻って進む。この場合、部分光線対Ｂ２，Ｂ５の方向は、入射する光線に対して平行である。二つの部分光線Ｂ１，Ｂ３の方向は、同じであるが、Ｂ２，Ｂ５の方向とは異なる。この偏位は、走査格子の目盛周期によって引き起こされる。部分光線Ｂ４，Ｂ６の角度は、又もや同じであるが、Ｂ１，Ｂ３とは逆である。

走査格子は、ちょうど物体２０が基準尺格子２１に対して相対的に動いた場合に、相異なる延伸方向に対して位相のずれた信号が生成されるような特性を有する。これらの部分光線は、走査格子の後で干渉し合い、その結果それぞれ１２０°位相のずれた三つの信号を発生させる。

ここで、部分光線対が、所定の、しかし部分的に相異なる方向から偏向部品２７の方向に戻って進むので、この偏向部品は、相異なる偏向角を生じさせる領域２７．１，２７．２及び２７．３を備えるように構成されている。そうすることによって、全ての部分光線対の方向は、検出ユニット２５の方向に戻って進んで行く時には同じとなる。しかし、それらの部分光線は、空間的に分割されており、レンズ４４．１，４４．２及び４４．３を用いて、三つの光電素子４５．１，４５．２及び４５．３上に収斂させることが可能であり、これらの光電素子は、位相のずれた信号を位相のずれた光電素子電流に変換するできる。空気の屈折率の変動は、それぞれ部分光線対の両方の構成要素に対して同程度に影響を与えて、干渉を生じさせるので、影響しないこととなる。

検出ユニットと測定すべき物体との間の距離Ｌｘがミリメートルからメートル単位で変化する可能性が有るので、偏向部品２７を通る部分光線対を平行に設定するのが有利である。全ての部分光線対が同じ角度で偏向されてしまうと、部分光線対の当たる場所が距離Ｌｘに依存することとなるか、或いは大きなＬｘに対しては、光ビームの一部が基準尺格子２１の方向に偏向されてしまい、最終的に検出ユニット２５に到達しなくなる。

偏向部品２７は、偏向させる能力が測定方向に対して相異なる領域を有する。その場合、位相のずれが同じである部分光線対が同じ偏向領域に到達するようにすることが決定的に重要である。このことは、偏向部品２７において、空間的に分割された、位相のずれが相異なる部分光線を生じさせなければならないことを意味する。

偏向部品２７において部分光線対に必要な測定方向に対する偏位は、偏向部品２７と走査格子２３との距離Ｌｙによって設定することができる。Ｌｙは、基準尺格子と走査格子で使用されている目盛周期、測定方向に対する照射光線の延び及びこれらの格子間の距離Ｄを用いて計算することができる。

図３と４の通り、偏向部品２７をセグメントミラーとすることができる。そして、中央の部品２７．２は、面が角度αだけ傾斜した平坦なミラーを有する。外側の二つの部品２７．１と２７．３は、それぞれ面が角度α＋β１とα−β２だけ傾斜した平坦なミラーを有する。

角度αは、Ｂ０の方向に対して、有利には４５°であり、角度β１とβ２は、走査格子と基準尺格子で使用されている格子定数に依存する。一般的に、β１とβ２は同じであり（β＝β１＝β２）、次の式によって決まる。

ここでλは使用する光の波長であり、ＴＰ＿ＡＰは走査格子２３の目盛周期である。

これらのミラーは、単一の部材から製作することができる。しかし、これらのミラーは、必要な角度αとβを与える支持体上に固定された複数の積層から構成することもできる。鏡面に関して、高い反射率以外に、特別な要件は無い。

それとは逆に、従来の干渉計用の長く延びた測定用反射鏡は、測定用反射鏡の表面の変動によって生じる行程長の違いが干渉位相に影響を与えるので、表面品質に関して高い要件を満たさなければならない。そのため、得られる位置の値は、特に、測定すべき物体が測定方向に対して垂直に動く場合、干渉計のミラーの表面特性に依存する。

ここで提案したセグメントに分けられた偏向ミラーに関しては、平坦性と角度の許容範囲を低減することだけが必要であり、その結果安価に製造可能な部品である。

純粋に反射作用を持つ偏向部品２７以外に、反射による偏向と回折による偏向の両方を活用した偏向部品も考えられる。そのような図８に図示された偏向部品７１は、相異なる偏向領域７１．１，７１．２及び７１．３の目盛周期が測定方向に対して相異なる格子構造を持たなければならない。相異なる目盛周期によって、相異なる偏向角が得られる。この目的のために、角度γだけ傾斜した反射形位相格子を使用することができる。これらの格子は、特に効果的とするためには、出来る限り一次回折を強くすべきである。そのことは、多段式位相格子によって実現することができる。

ここで、以下において、二つの実現可能な実施例に関して使用される走査格子と基準尺格子を詳細に取り上げることとする。

第一の実施例では、基本的に、例えば、前記の特許文献１に記載されている通りの所謂ＬＩＰ原理にもとづく走査を用いている。走査格子は、４μｍの目盛周期を有し、透過形位相格子として構成されている。位相偏移が１２０°であり、格子線の幅は１．２５μｍである。基準尺格子は、目盛周期が４μｍで、位相偏移が１８０°で、格子線の幅が２μｍの反射形位相格子である。この特性では、走査格子の二回の通過後には、１２０°位相のずれた信号Ｓ＿０°，Ｓ＿１２０°及びＳ＿２４０°が得られる。

光検出器内において、両方の部分光線Ｂ２，Ｂ５は信号Ｓ＿０°を生成し、両方の部分光線Ｂ１，Ｂ３は信号Ｓ＿１２０°を生成し、両方の部分光線Ｂ４，Ｂ６は信号Ｓ＿２４０°を生成する。

照射範囲を測定方向に対して延ばしてＢｘ＝２ｍｍ及び格子間隔Ｄ＝２ｍｍとした場合、偏向部品と走査格子との必要な距離Ｌｙに関して、次の式が得られる。

動く物体の傾斜が未だ許容範囲内にあるので、偏向部品の測定方向に対する分割は、このことも考慮して、それに対応してＬｙをより大きく選定すべてきある。偏向部品の方向に進む、延伸方向が相異なる部分光線対の数を制限するためには、図５と６に図示されている通り、走査格子２３．１に隣接する絞り構造２３．２と２３．３が有用である。

両方の実施例に関して、走査格子の支持体の基準尺格子２１の方を向いた側に走査格子２３の目盛構造２３．１を配備するのが特に有利である。測定システムの効果的な測定点は、走査格子内に有り、そのため中心点１９の出来る限り近傍に置かれる。

図７は、別の実施例を図示している。この場合、リトロー構成に対応した走査を用いている。

走査格子は、４μｍの目盛周期を有し、透過形位相格子として構成されている。位相偏移は１２０°であり、格子線の幅は１．２５μｍである。基準尺格子は、目盛周期が２μｍで、位相偏移が１８０°で、格子線の幅が１μｍの反射形位相格子である。この特性では、光検出器内において、走査格子の二回の通過後には、１２０°位相のずれた信号Ｓ＿０°，Ｓ＿１２０°及びＳ＿２４０°が得られる。

部分光線対Ｂ８は信号Ｓ＿０°を生成し、部分光線対Ｂ７は信号Ｓ＿１２０°を生成し、部分光線対Ｂ９は信号Ｓ＿２４０°を生成する。

リトロー構成では、第一の格子の０次の回折が望ましくない（それがサブハーモニックを発生させる）ので、走査格子での０次の回折から生じる部分光線が基準尺での回折後に走査格子に隣接する非透過領域によってブロックされるように、格子間隔Ｄと照射の測定方向への延伸を選定しなければならない。従って、この実施例に関しても、走査格子２３．１に隣接する絞り構造２３．２と２３．３が有用である。

従来技術による位置測定装置 位置測定装置の全体図 位置測定装置内の光路 光線の偏向機器 位置測定装置内の光路 絞りを備えた走査格子 位置測定装置の別の実施例 偏向部品の代替実施形態

符号の説明

１０ 測定すべき物体
１１ 測定用反射鏡
１２ 測定用反射鏡
１３ 評価ユニット
１４ 評価ユニット
１９ 中心点
２０ 測定すべき物体
２１ 基準尺格子
２２ 基準尺格子
２３ 走査格子
２３．１ 走査格子２３の目盛構造
２３．２ 絞り構造
２３．３ 絞り構造
２４ 走査格子
２５ 照射・検出ユニット
２６ 照射・検出ユニット
２７ 偏向部品
２７．１，２７．２，２７．３ 偏向部品２７の相異なる偏向角を生じさせる領域
２８ 偏向部品
２９ 走査位置
３０ 走査位置
４１ 光源
４２ 部品
４３ 偏向部品
４４．１，４４．２，４４．３ レンズ
４５．１，４５．２，４５．３ 光電素子（光検出器）
７１ 偏向部品
７１．１，７１．２，７１．３ 偏向領域
ｘ，ｙ，ｚ 座標軸
Ｂ０ 光線
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６ 部分光線
Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９ 部分光線対
Ｄ 格子間隔
Ｌｘ 動く物体２０と照射・検出ユニット２５との間の距離
Ｌｙ 偏向部品２７と走査格子２３との距離
Ｒｚ 物体の中心点の周りの捩じれ
α，β１，β２ 角度

Claims (14)

1. 光源（４１）と、第一の格子（２３）と、第二の格子（２１）と、光検出器（４５．１，４５．２，４５．３）とを備えた位置測定装置であって、光源（４１）の光が、第一と第二の格子（２３，２１）によって相異なる方向の部分光線（Ｂ１〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）に分割されるとともに、偏向部品（２７）によって光検出器（４５．１，４５．２，４５．３）の方向に偏向される位置測定装置において、
   偏向部品（２７）は、相異なる方向から入射する部分光線（Ｂ１〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）に対して、相異なる領域（２７．１，２７．２，２７．３，７１．１，７１．２，７１．３）を備えており、そのため偏向部品（２７）から光検出器（４５．１，４５．２，４５．３）の方向に偏向される全ての部分光線（Ｂ１〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）がほぼ平行となることと、
   偏向部品（２７）及び第一の格子（２３）が、測定すべき物体（１０，２０）と共に動くのに対して、第二の格子（２１）が、光源（４１）及び光検出器（４５．１，４５．２，４５．３）に対して位置を固定されていることと、
   を特徴とする位置測定装置。
2. 相異なる領域（２７．１，２７．２，２７．３）が、セグメントミラーの相異なる角度で傾斜した鏡面であることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 当該の鏡面間の傾斜角の偏差（β）が一定であることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
4. 当該のセグメントミラーが、相異なる傾斜を与える支持体上に固定された複数の積層から構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の位置測定装置。
5. 当該のセグメントミラーが、単一の部材から製作されることを特徴とする請求項２又は３に記載の位置測定装置。
6. 相異なる領域（７１．１，７１．２，７１．３）が、それぞれ目盛周期の異なる格子構造を有することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
7. 相異なる領域（７１．１，７１．２，７１．３）の格子構造が、反射形位相格子であることを特徴とする請求項６に記載の位置測定装置。
8. 相異なる領域（７１．１，７１．２，７１．３）の格子構造が、複数段による位相格子であることを特徴とする請求項６又は７に記載の位置測定装置。
9. 偏向部品（２７）の領域（２７．１，２７．２）が、光源（４１）の光を第一の格子（２３）の方向に偏向させることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
10. 第一の格子（２３）が透過形位相格子であることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
11. 第二の格子（２１）が、第一の格子（２３）を通過した光を第一の格子（２３）の方向に反射して戻す反射形位相格子であることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
12. 第一の格子構造（２３．１）の両側には、第二の格子（２１）によって反射された光の一部をブロックする絞り構造（２３．２，２３．３）が配置されていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
13. 偏向部品（２７）が、相異なる三つの領域（２７．１，２７．２，２７．３，７１．１，７１．２，７１．３）を有し、それらの領域からの光が、空間的に分割された三つの平行な行程を経て三つの光検出器（４５．１，４５．２，４５．３）上に当たることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
14. 三つの光検出器（４５．１，４５．２，４５．３）において、互いに１２０°位相のずれた信号が発生することを特徴とする請求項１３に記載の位置測定装置。

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