チルトセンサ及びエンコーダ
【課題】照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を計測する。
【解決手段】光源から射出される照明光と、第１の回折格子１２７ａと第２の回折格子１２７ｂとが設けられた光学ユニット２６と、の相対的な角度変化に応じて、光学ユニット２６の第１の回折格子１２７ａと第２の回折格子１２７ｂの両方で干渉する光の状態が変化するので、その干渉光を受光素子で受光することにより、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を計測することが可能となる。
【解決手段】光源から射出される照明光と、第１の回折格子１２７ａと第２の回折格子１２７ｂとが設けられた光学ユニット２６と、の相対的な角度変化に応じて、光学ユニット２６の第１の回折格子１２７ａと第２の回折格子１２７ｂの両方で干渉する光の状態が変化するので、その干渉光を受光素子で受光することにより、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を計測することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチルトセンサ及びエンコーダに係り、更に詳しくは、照明光と回折格子との相対的なチルト量を計測するチルトセンサ及び該チルトセンサを備えるエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被検物体の位置を計測するために、例えば、特許文献１に記載されているような光学式エンコーダが用いられていた。
【０００３】
この光学式エンコーダは、移動体とともに移動する移動回折格子と、固定のインデックス回折格子との両方を経由した照明光の強度を、両者の回折格子の相対位置ずれを示す情報として検出するエンコーダであり、いわゆる回折干渉方式のエンコーダと呼ばれている。
【０００４】
このような光学式エンコーダは、格子の配列方向についての位置計測のみが可能である。しかるに、最近では、被検物体の回転（被検物体とともに移動する移動格子の格子が形成された面に対する傾斜方向）についても計測することが必要と考えられている。
【０００５】
また、例えば特許文献２に記載されている、変調方式エンコーダの３ビーム生成用の回折格子に入射する光の入射角についても計測できれば、変調方式エンコーダによる正確な位置計測を実現することが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５５３６０号公報
【特許文献２】米国特許６，６３９，６８６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した事情の下になされたものであり、第１の観点からすると、照明光を出射する光源と；第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；前記光学ユニットで干渉した光を受光し、前記照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備える第１のチルトセンサである。
【０００８】
これによれば、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に応じて、光学ユニットの第１の回折格子と第２の回折格子で干渉する光の状態が変化し、その干渉光を受光した受光素子から、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号が出力される。したがって、該信号に基づいて、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を検出することが可能となる。
【０００９】
本発明は、第２の観点からすると、照明光を出射する光源と；前記光源側の面に回折格子が設けられ、これと反対側の面に反射膜が形成された任意の屈折率を有する光学素子と；前記回折格子を通過した後、前記反射膜で反射され、前記回折格子を再度通過した光を受光し、前記照明光と前記光学素子との相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備える第２のチルトセンサである。
【００１０】
これによれば、光学素子に入射する照明光と光学素子との相対的な角度変化に応じて、回折格子を通過した後、反射膜で反射され、再度回折格子を通過した光の状態が変化し、その光を受光した受光素子から、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号が出力される。したがって、該信号に基づいて、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を検出することが可能となる。
【００１１】
本発明は、第３の観点からすると、所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；前記光学ユニットを経由した照明光を受光し、前記光学ユニットに入射する照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備える第１のエンコーダである。
【００１２】
これによれば、光学ユニットに入射する照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に応じて、第１、第２の回折格子で回折した光を受光する受光素子から出力される信号が変化するので、該信号に応じて光学ユニットと照明光との関係を調整することができる。したがって、調整後に、照明光を干渉させる光学ユニットを用いた位置計測を行うことにより、高精度な位置計測を行うことが可能となる。
【００１３】
本発明は、第４の観点からすると、所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダにおいて、本発明の第１、第２のチルトセンサを備えることを特徴とする第２のエンコーダである。
【００１４】
これによれば、照明光の光軸に垂直な面内方向に関する位置を計測するエンコーダが、回折格子を有する光学ユニット又は光学素子と照明光との相対的な角度変化を検出することが可能な本発明の第１、第２のチルトセンサを備えているので、該検出された角度変化に応じて、光学ユニット又は光学素子を調整することができる。したがって、調整後に位置計測を行うことにより、高精度な位置計測を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図２（Ｂ）に基づいて説明する。
【００１６】
図１には、本第１の実施形態に係るチルトセンサ１００が概略的に示されている。このチルトセンサ１００は、Ｚ軸方向（図１の紙面上下方向）に順次配列された、光源１２０と、コリメータレンズ１２１と、光学ユニット２６と、受光素子１３６とを備えている。
【００１７】
前記光源１２０としては、例えば短波長帯ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）を採用することができる。この面発光レーザは、均一性が高く、高速駆動や大規模アレイ化が可能な近赤外面発光型半導体レーザである。
【００１８】
前記コリメータレンズ１２１は、前記光源１２０から出射されたレーザ光を平行光に変換する。
【００１９】
前記光学ユニット２６は、レーザ光を透過するガラス板から成り、チルト量を計測する被検物体（移動体）に接続されている。このガラス板の光源１２０側の面には、図２（Ａ）に拡大して示されるように、光源側格子１２７ａが設けられ、その裏面（受光素子側の面）には、受光素子側格子１２７ｂが設けられている。これらの格子１２７ａ，１２７ｂは、Ｘ軸方向を長手方向とする複数のラインパターンがＹ軸方向に配列されて成るライン・アンド・スペースパターンであり、光源側格子１２７ａのピッチは、例えば２５．０μｍであり、受光素子側格子１２７ｂのピッチは、例えば２５．６μｍである。
【００２０】
図１に戻り、前記受光素子１３６は、多分割受光素子から構成されている。
【００２１】
このように構成されるチルトセンサ１００によると、光源１２０から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１２１で平行光に変換されて、光学ユニット２６に入射する。この光学ユニット２６に入射したレーザ光は、以下のように干渉する。
【００２２】
図２（Ａ）には、レーザ光が光学ユニット２６の上面に対して垂直に入射している状態が示されている。この場合、光学ユニット２６では入射した平行光に基づいて複数の回折光を光源側格子１２７ａで発生させる。図２（Ａ）では、それらの回折光のうち、光源側格子１２７ａの３点（Ａ点，Ｂ点，Ｃ点）で発生した±１次回折光が示されている。
【００２３】
このうち、Ａ点で発生した＋１次回折光に着目すると、この＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＢ点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付さずに示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で記載されている−１次回折光である。一方、Ａ点で発生した−１次回折光については、受光素子側格子１２７ｂのＡＣ点で更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付さずに示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で示されている＋１次回折光である。
【００２４】
次いで、Ｂ点で発生した−１次回折光に着目すると、この−１次回折光は受光素子側格子１２７ｂのＡＢ点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付して示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で記載されている＋１次回折光である。この＋１次回折光は、前述した、Ａ点で発生した＋１次回折光のうち受光素子側格子１２７ｂのＡＢ点において発生した−１次回折光と干渉する。
【００２５】
次に、Ｃ点で発生した＋１次回折光に着目すると、この＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＣ点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付して示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で記載されている−１次回折光である。この−１次回折光は、前述した、Ａ点で発生した−１次回折光のうち受光素子側格子１２７ｂのＡＣ点において発生した＋１次回折光と干渉する。
【００２６】
このようにして、光学ユニット２６を経由したレーザ光の干渉により、受光素子１３６上に干渉縞が形成されるようになっている。
【００２７】
図２（Ｂ）には、レーザ光が光学ユニット２６の上面に対して垂直からやや傾斜した角度で入射する状態が示されている。なお、この図２（Ｂ）では、図２（Ａ）と比較して光学ユニット２６の角度が同一でレーザ光が傾いた状態が示されているが、これとは逆にレーザ光の光路が同一で光学ユニット２６が傾いた場合についても同様の考え方ができる。
【００２８】
この場合、光学ユニット２６では入射した平行光に基づいて複数の回折光を光源側格子１２７ａで発生させるが、図２（Ｂ）では、それらの回折光のうち、光源側格子１２７ａの３点（Ａ点，Ｂ’点，Ｃ’点）で発生した±１次回折光のみが示されている。
【００２９】
この図２（Ｂ）に示されるように、Ａ点において発生した＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＢ’点において、再度回折し、±１次回折光（図２（Ｂ）において括弧を付さずに示している）を発生する。この場合、実線で示される−１次回折光が干渉に寄与する。一方、Ａ点において発生した−１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＣ’点において、再度回折し、±１次回折光（図２（Ｂ）において括弧を付さずに示している）を発生する。この場合、実線で示される＋１次回折光が干渉に寄与する。
【００３０】
なお、図２（Ｂ）からもわかるように、Ａ点において発生した＋１次回折光と−１次回折光の、ガラス部材内での光路長は異なっている。
【００３１】
同様に、光源側格子１２７ａのＢ’点における回折により発生した±１次回折光のうちの−１次回折光は、受光素子側格子１２７ａのＡＢ’点において再度回折され、±１次回折光（括弧を付して示している）を発生させる。このうちの実線で示される＋１次回折光が上述したＡ点、ＡＢ’点を経由して発生する−１次回折光と干渉する。
【００３２】
一方、光源側格子１２７ａのＣ’点における回折により発生した±１次回折光のうちの＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ａのＡＣ’点において再度回折され、±１次回折光（括弧を付して示している）を発生させる。このうちの実線で示される−１次回折光が上述したＡ点、ＡＣ’点を経由して発生する＋１次回折光と干渉する。
【００３３】
この場合、図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを比較するとわかるように、レーザ光の光軸と光学ユニット２６との相対角度が変動することにより、対応する干渉光がＹ軸方向（本実施形態では−Ｙ方向）にずれている、すなわち、干渉縞の干渉強度が変化する。受光素子１３６では、発生した干渉縞の干渉強度を検出し、受光面上における干渉縞の移動量を含む信号を不図示の制御装置に出力する。なお、本実施形態のチルトセンサ１００では、計測の原点が存在しないが、初期調整において、光学ユニット２６が所望の状態（例えば図２（Ａ）に示されるようにレーザ光が光学ユニットに対して垂直に入射する状態）に設定されたときの干渉縞の位置を原点とみなして、該原点からのずれを検出することとする。
【００３４】
ここで、本実施形態のように、ガラス板の表裏面に格子が配置されるスケールを採用する場合、光源側格子１２７ａをインデックススケール、受光素子側格子１２７ｂを移動スケールとみなして考えることができる。すなわち、移動スケールが傾いて、光ビーム出射位置が１ピッチ（２５．６μｍ）変化したとすると、ガラス内部の伝播角をθ’、ガラスの厚みをｔ、格子ピッチをｐとして、次式（１）のような関係になる。
【００３５】
ｔａｎθ’＝ｐ／ｔ …（１）
上式（１）は、ガラス内部に関する式であるので、屈折率を１．５、実際の光学ユニット２６の傾斜をθとすると、次式（２）のようになる。
【００３６】
ｓｉｎθ／ｓｉｎθ’＝１．５
ｓｉｎθ＝１．５ｓｉｎ[ｔａｎ-1（ｐ／ｔ）] …（２）
ここで、格子ピッチを２５．６μｍ、ガラス厚を３ｍｍとすると、θ＝４４（分）となる。したがって、干渉縞の１周期が４４分に相当することから、受光素子１３６の内挿数を５１２とすると分解能は、４４×６０／５１２＝約５．１６（秒）となる。また、受光素子１３６として多分割受光素子を採用しているので、９０°位相の異なる点の値を検出することにより、２相信号が得られ、傾斜の方向も計測することが可能となる。
【００３７】
なお、本実施形態の方式を用いることにより、傾斜に伴う±１次回折光同士の光路長差変動が発生しないので、傾斜が生じてもタルボ（トールボット）干渉の初期条件が変わることがなく、安定したチルト計測を行うことが可能である。
【００３８】
以上詳細に説明したように、本第１の実施形態のチルトセンサによると、光学ユニット２６に、光源側格子１２７ａと、該光源側格子１２７ａに対し、Ｚ軸方向に関して所定距離離れた位置に設けられた受光素子側格子１２７ｂとが設けられており、レーザ光と光学ユニット２６との相対的な角度変化に応じて、光学ユニット２６の光源側格子１２７ａと受光素子側格子１２７ｂで回折し形成される干渉縞の強度が変化するので、該干渉縞を受光素子で検出することにより、レーザ光と光学ユニット２６との相対的な角度関係を計測することが可能となる。
【００３９】
また、本実施形態では、光源側格子と受光素子側格子のピッチを異ならせているので、干渉縞の間隔（ピッチ）が大きくなる。例えば、本実施形態のように、光源側格子のピッチを２５．０μｍ、受光素子側格子のピッチを２５．６μｍとした場合には、約０．８ｍｍ程度のピッチの干渉縞が発生することになる。したがって、チルト計測に用いられる干渉縞のピッチが大きいことから、干渉縞の強度変化（受光素子の受光面における干渉縞の移動）を精度良く検出することができる。これにより、チルト計測精度を向上することが可能である。
【００４０】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係るエンコーダについて図３及び図４に基づいて説明する。図３には、本第２の実施形態のエンコーダ１７の概略的な構成が示されている。
【００４１】
このエンコーダ１７は、Ｙ軸方向に延びるスケール１８と、ビームプローブを射出するプローブ部１９とを含む。スケール１８には、Ｙ軸方向に周期性を有する反射型の回折格子（グレーティング１）が形成されている。図３に示されるように、この回折格子は凹凸面型の回折格子である。また、そのピッチ（周期）は、全区間で同一となっている。
【００４２】
前記プローブ部１９は、レーザダイオード２０と、該レーザダイオード２０の＋Ｙ側に配置された折り曲げミラー２２と、該折り曲げミラー２２の＋Ｚ側に順次配置された光学ユニット２６、ビームスプリッタ２８、及び対物レンズ３０と、ビームスプリッタ２８の＋Ｙ側に配置されたレンズ３２及び光センサ３４と、ビームスプリッタ２８の−Ｙ側に配置された受光素子３６とを含んでいる。
【００４３】
前記レーザダイオード２０は、例えば、波長６４０ｎｍのレーザ光を射出する。
【００４４】
前記折り曲げミラー２２は、例えばピエゾ素子などを含む駆動装置２４により振動される振動ミラーとしての機能を有するとともに、駆動装置２４によって角度調整可能とされている。不図示の制御装置は、駆動装置２４を介してレーザダイオード２０から出射されるレーザ光に対するミラー２２の反射面の角度を所望の角度に調整する。
【００４５】
前記光学ユニット２６は、前述したチルトセンサ１００における光学ユニットと同様であるが、ここでは、光源側格子は、入射したレーザ光に基づいて、０次回折光のメインビームと、±１次回折光の２つのサブビームを発生する。メインビームと、２つのサブビームとの配置関係は、これらのビームがスケール上に照射されたときに、格子の配列方向に沿って２つのサブビームの間にメインビームが配置される関係にある。
【００４６】
前記光センサ３４はＣＣＤ等から構成されており、前記受光素子３６は、前述したチルトセンサ１００の受光素子１３６と同様であり、不図示の制御装置に検出信号を出力する。
【００４７】
このように構成されるエンコーダ１７では、レーザダイオード２０から射出されたレーザ光は、折り曲げミラー２２でほぼ９０°反射され、光学ユニット２６に入射し、光学ユニット２６で、メインビームと２つのサブビームとに分離された後、ビームスプリッタ２８を通過して、対物レンズ３０によってスケール１８上のグレーティング１上に到達する。そして、グレーティング１上で反射したレーザ光は、対物レンズ３０を通過して、ビームスプリッタ２８で反射し、レンズ３２を経由して、光センサ３４で受光される。光センサ３４からの信号は、不図示の制御装置へ送られる。なお、この制御装置における信号検出の原理及び回路構成は、特表２０００−５１１６３４号公報及び米国特許第６，６３９，６８６号明細書等に詳細に開示されているので、詳細な説明を省略する。
【００４８】
なお、光センサ３４では、０次回折光のメインビームと、±１次回折光の２つのサブビームとに分割された状態で受光される。したがって、このようなプローブ部を採用した場合、光センサ３４としては、図４に示されるように、メインビーム検出用の４分割の光センサ３４3と、サブビーム検出用の２つのセンサ３４１、３４2とを用いることができる。
【００４９】
２つのサブビームの受光結果、すなわち光センサ３４1、３４2からの検出信号のいずれか一方からは、グレーティング１の峰と、ビームプローブの振動中心との相対距離を検出することが可能である。光センサ３４1、３４2からの信号から検出された振幅及び位相の検出値を加算した結果をエンコーダの計測値として検出し、減算した結果をレーザダイオードの位置ドリフトなどによるビームプローブのドリフト量として検出している。
【００５０】
なお、４分割の光センサ３４１の各センサの出力を例えばａ，ｂ，ｃ，ｄとすると、メインビームの検出結果からは、２つの信号（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ、ａ＋ｃ−ｂーｄ）を作成することができる。この２つの信号は、９０度の位相差を有しているので、この２つの信号は、制御装置へ送られ、対物レンズ３０とグレーティング１とのフォーカス制御に用いられる。
【００５１】
このように、プローブ部１９は、スケール１８に向けてレーザ光を出力し、スケール１８のグレーティング１上で反射したレーザ光（ビームプローブ）を光センサ３４で受光し、その受光結果に相当する信号を出力している。
【００５２】
ところで、図３からわかるように、光学ユニット２６を通過し、ビームスプリッタ２８で反射されたレーザ光は、受光素子３６に入射する。したがって、図３のエンコーダ１７のプローブ部１９においては、レーザダイオード２０は、図１のチルトセンサ１００の光源１２０に対応し、受光素子３６は図１の受光素子１３６に対応し、光学ユニット２６はチルトセンサ１００の光学ユニット２６と同一であるので、これらと、折り曲げミラー２２とにより、図１のチルトセンサ１００と同一の機能を有するチルトセンサ１００’が構成されていることになる。このチルトセンサ１００’により、光学ユニット２６と、光学ユニット２６に入射するレーザ光との相対角度を検出することができる。したがって、制御装置では、このチルトセンサ１００’による検出結果に基づいて駆動装置２４を介して折り曲げミラー２２の角度を調整することにより、光学ユニット２６に入射するレーザ光の角度を調整する。これにより、レーザ光を光学ユニット２６に理想的な角度で入射させることができるので、エンコーダ１７による計測を精度良く行うことが可能となる。
【００５３】
なお、光学ユニット２６からはメインビームと２つのサブビームが発生しているので、これらのビームから相対角度を求めても良いし、３つのビームのうち、いずれか１つを用いて相対角度を求めても良い。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態のエンコーダによると、レーザ光と光学ユニット２６との相対的な角度関係を計測することが可能なチルトセンサ１００’を含んでいることから、このチルトセンサ１００’による検出結果に基づいて、レーザ光と光学ユニット２６との角度関係を調整することができる。これにより、エンコーダによる位置計測を長期に渡って精度良く行うことが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態によると、エンコーダ１７のプローブ部１９に設けた光学ユニット２６自身に、光学ユニット２６の傾斜を計測するための機能を備えているので、部品点数を少なくすることができるので、エンコーダ自体の大型化を抑制することができる。
【００５６】
なお、上記第２の実施形態では、スケール１８として反射型の回折格子を用いることとしたが、これに限らず、透過型の回折格子を用いることとしても良い。この場合、レンズ３２及び光センサ３４は、スケール１８の＋Ｚ側に配置されることとなる。
【００５７】
なお、上記第２の実施形態のエンコーダは、回折干渉方式、影絵方式のエンコーダにも採用することが可能である。
【００５８】
更に、上記第２の実施形態の光学ユニット２６を、エンコーダのスケール１８として用いることも可能である。
【００５９】
なお、上記各実施形態では、光学ユニット２６として、ガラス板を用いることとしたが、これに限らず、任意の屈折率を有する部材であれば、その素材がガラスに限られるものではない。例えば、半導体などに回折格子を形成することとしても良い。
【００６０】
また、上記各実施形態では、光学ユニット２６に設けられた光源側格子１２７ａと受光素子側格子１２７ｂの格子ピッチが僅かに異なる（２５．０μｍと２５．６μｍ）場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではなく、両格子が同一ピッチであっても良い。
【００６１】
なお、上記各実施形態では、ガラス板の表裏面それぞれに光源側格子１２７ａと受光素子側格子１２７ｂとを設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図５（Ａ）に示される構成の光学ユニット２６’を採用することも可能である。この場合、光学ユニット２６を、例えば、被測定物に固定することとすることができる。
【００６２】
この光学ユニット２６’は、図５（Ａ）に示されるように、ガラス板から成り、該ガラス板の＋Ｚ側の面に回折格子１２７’が設けられ、−Ｚ側の面に反射膜１２９が設けられている。
【００６３】
このように構成される光学ユニット２６’によると、斜めに入射したレーザ光は、回折格子１２７’において、回折し、±１次回折光を発生する。これら±１次回折光、及び０次光はそれぞれ反射膜１２９で全反射し、回折格子１２７’で再度回折を受ける。ここで、干渉に寄与するのは、図５（Ａ）において実線で示される光である。
【００６４】
ここで、反射面を基準として展開した状態を示す図５（Ｂ）と、図２（Ａ），図２（Ｂ）とを比較すると原理は同様であるので、この変形例を採用した場合であっても、上記実施形態と同様の干渉が生じることが明らかである。
【００６５】
したがって、図２（Ａ）、図２（Ｂ）の場合と同様に、その他の点で回折するレーザ光の回折光（回折格子１２７’で回折し、その後反射膜１２９で反射し、再度回折格子１２７’で回折した光）と干渉するので、光路後方に設けられた受光素子（不図示）上に、干渉縞が形成される。
【００６６】
この場合も上述した実施形態と同様に、レーザ光の光学ユニットへの入射角度が異なると、干渉縞の受光素子上での位置が変化するので、干渉縞の位置を検出することにより、レーザ光の光学ユニットに対する入射角度を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上説明したように、本発明のチルトセンサは、照明光と光学ユニットとの相対角度を計測するのに適している。また、本発明のエンコーダは、パターンの検出に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施形態に係るチルトセンサを示す概略図である。
【図２】図２(Ａ)、図２（Ｂ）は、図１の光学ユニットの原理を説明するための図である。
【図３】第２の実施形態に係るエンコーダを示す概略図である。
【図４】図３の受光素子の構成を示す図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、チルトセンサの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２０，１２０…レーザダイオード（光源）、２６…光学ユニット、２６’…光学素子（光学ユニット）、３４，１３４…受光素子、１００，１００’…チルトセンサ、１２７ａ…光源側格子（第１の回折格子），１２７ｂ…受光素子側格子（第２の回折格子）、１２９…反射膜、１７…エンコーダ、ＩＬ…照明光。
【技術分野】
【０００１】
本発明はチルトセンサ及びエンコーダに係り、更に詳しくは、照明光と回折格子との相対的なチルト量を計測するチルトセンサ及び該チルトセンサを備えるエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被検物体の位置を計測するために、例えば、特許文献１に記載されているような光学式エンコーダが用いられていた。
【０００３】
この光学式エンコーダは、移動体とともに移動する移動回折格子と、固定のインデックス回折格子との両方を経由した照明光の強度を、両者の回折格子の相対位置ずれを示す情報として検出するエンコーダであり、いわゆる回折干渉方式のエンコーダと呼ばれている。
【０００４】
このような光学式エンコーダは、格子の配列方向についての位置計測のみが可能である。しかるに、最近では、被検物体の回転（被検物体とともに移動する移動格子の格子が形成された面に対する傾斜方向）についても計測することが必要と考えられている。
【０００５】
また、例えば特許文献２に記載されている、変調方式エンコーダの３ビーム生成用の回折格子に入射する光の入射角についても計測できれば、変調方式エンコーダによる正確な位置計測を実現することが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５５３６０号公報
【特許文献２】米国特許６，６３９，６８６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した事情の下になされたものであり、第１の観点からすると、照明光を出射する光源と；第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；前記光学ユニットで干渉した光を受光し、前記照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備える第１のチルトセンサである。
【０００８】
これによれば、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に応じて、光学ユニットの第１の回折格子と第２の回折格子で干渉する光の状態が変化し、その干渉光を受光した受光素子から、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号が出力される。したがって、該信号に基づいて、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を検出することが可能となる。
【０００９】
本発明は、第２の観点からすると、照明光を出射する光源と；前記光源側の面に回折格子が設けられ、これと反対側の面に反射膜が形成された任意の屈折率を有する光学素子と；前記回折格子を通過した後、前記反射膜で反射され、前記回折格子を再度通過した光を受光し、前記照明光と前記光学素子との相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備える第２のチルトセンサである。
【００１０】
これによれば、光学素子に入射する照明光と光学素子との相対的な角度変化に応じて、回折格子を通過した後、反射膜で反射され、再度回折格子を通過した光の状態が変化し、その光を受光した受光素子から、照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号が出力される。したがって、該信号に基づいて、照明光と光学ユニットとの相対的な角度関係を検出することが可能となる。
【００１１】
本発明は、第３の観点からすると、所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；前記光学ユニットを経由した照明光を受光し、前記光学ユニットに入射する照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備える第１のエンコーダである。
【００１２】
これによれば、光学ユニットに入射する照明光と光学ユニットとの相対的な角度変化に応じて、第１、第２の回折格子で回折した光を受光する受光素子から出力される信号が変化するので、該信号に応じて光学ユニットと照明光との関係を調整することができる。したがって、調整後に、照明光を干渉させる光学ユニットを用いた位置計測を行うことにより、高精度な位置計測を行うことが可能となる。
【００１３】
本発明は、第４の観点からすると、所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダにおいて、本発明の第１、第２のチルトセンサを備えることを特徴とする第２のエンコーダである。
【００１４】
これによれば、照明光の光軸に垂直な面内方向に関する位置を計測するエンコーダが、回折格子を有する光学ユニット又は光学素子と照明光との相対的な角度変化を検出することが可能な本発明の第１、第２のチルトセンサを備えているので、該検出された角度変化に応じて、光学ユニット又は光学素子を調整することができる。したがって、調整後に位置計測を行うことにより、高精度な位置計測を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図２（Ｂ）に基づいて説明する。
【００１６】
図１には、本第１の実施形態に係るチルトセンサ１００が概略的に示されている。このチルトセンサ１００は、Ｚ軸方向（図１の紙面上下方向）に順次配列された、光源１２０と、コリメータレンズ１２１と、光学ユニット２６と、受光素子１３６とを備えている。
【００１７】
前記光源１２０としては、例えば短波長帯ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）を採用することができる。この面発光レーザは、均一性が高く、高速駆動や大規模アレイ化が可能な近赤外面発光型半導体レーザである。
【００１８】
前記コリメータレンズ１２１は、前記光源１２０から出射されたレーザ光を平行光に変換する。
【００１９】
前記光学ユニット２６は、レーザ光を透過するガラス板から成り、チルト量を計測する被検物体（移動体）に接続されている。このガラス板の光源１２０側の面には、図２（Ａ）に拡大して示されるように、光源側格子１２７ａが設けられ、その裏面（受光素子側の面）には、受光素子側格子１２７ｂが設けられている。これらの格子１２７ａ，１２７ｂは、Ｘ軸方向を長手方向とする複数のラインパターンがＹ軸方向に配列されて成るライン・アンド・スペースパターンであり、光源側格子１２７ａのピッチは、例えば２５．０μｍであり、受光素子側格子１２７ｂのピッチは、例えば２５．６μｍである。
【００２０】
図１に戻り、前記受光素子１３６は、多分割受光素子から構成されている。
【００２１】
このように構成されるチルトセンサ１００によると、光源１２０から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１２１で平行光に変換されて、光学ユニット２６に入射する。この光学ユニット２６に入射したレーザ光は、以下のように干渉する。
【００２２】
図２（Ａ）には、レーザ光が光学ユニット２６の上面に対して垂直に入射している状態が示されている。この場合、光学ユニット２６では入射した平行光に基づいて複数の回折光を光源側格子１２７ａで発生させる。図２（Ａ）では、それらの回折光のうち、光源側格子１２７ａの３点（Ａ点，Ｂ点，Ｃ点）で発生した±１次回折光が示されている。
【００２３】
このうち、Ａ点で発生した＋１次回折光に着目すると、この＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＢ点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付さずに示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で記載されている−１次回折光である。一方、Ａ点で発生した−１次回折光については、受光素子側格子１２７ｂのＡＣ点で更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付さずに示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で示されている＋１次回折光である。
【００２４】
次いで、Ｂ点で発生した−１次回折光に着目すると、この−１次回折光は受光素子側格子１２７ｂのＡＢ点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付して示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で記載されている＋１次回折光である。この＋１次回折光は、前述した、Ａ点で発生した＋１次回折光のうち受光素子側格子１２７ｂのＡＢ点において発生した−１次回折光と干渉する。
【００２５】
次に、Ｃ点で発生した＋１次回折光に着目すると、この＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＣ点において更に複数の回折光を発生させる。ここで、図２（Ａ）では、±１次回折光のみを示している（括弧を付して示している）が、そのうちで干渉に寄与するのは、図２（Ａ）に実線で記載されている−１次回折光である。この−１次回折光は、前述した、Ａ点で発生した−１次回折光のうち受光素子側格子１２７ｂのＡＣ点において発生した＋１次回折光と干渉する。
【００２６】
このようにして、光学ユニット２６を経由したレーザ光の干渉により、受光素子１３６上に干渉縞が形成されるようになっている。
【００２７】
図２（Ｂ）には、レーザ光が光学ユニット２６の上面に対して垂直からやや傾斜した角度で入射する状態が示されている。なお、この図２（Ｂ）では、図２（Ａ）と比較して光学ユニット２６の角度が同一でレーザ光が傾いた状態が示されているが、これとは逆にレーザ光の光路が同一で光学ユニット２６が傾いた場合についても同様の考え方ができる。
【００２８】
この場合、光学ユニット２６では入射した平行光に基づいて複数の回折光を光源側格子１２７ａで発生させるが、図２（Ｂ）では、それらの回折光のうち、光源側格子１２７ａの３点（Ａ点，Ｂ’点，Ｃ’点）で発生した±１次回折光のみが示されている。
【００２９】
この図２（Ｂ）に示されるように、Ａ点において発生した＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＢ’点において、再度回折し、±１次回折光（図２（Ｂ）において括弧を付さずに示している）を発生する。この場合、実線で示される−１次回折光が干渉に寄与する。一方、Ａ点において発生した−１次回折光は、受光素子側格子１２７ｂのＡＣ’点において、再度回折し、±１次回折光（図２（Ｂ）において括弧を付さずに示している）を発生する。この場合、実線で示される＋１次回折光が干渉に寄与する。
【００３０】
なお、図２（Ｂ）からもわかるように、Ａ点において発生した＋１次回折光と−１次回折光の、ガラス部材内での光路長は異なっている。
【００３１】
同様に、光源側格子１２７ａのＢ’点における回折により発生した±１次回折光のうちの−１次回折光は、受光素子側格子１２７ａのＡＢ’点において再度回折され、±１次回折光（括弧を付して示している）を発生させる。このうちの実線で示される＋１次回折光が上述したＡ点、ＡＢ’点を経由して発生する−１次回折光と干渉する。
【００３２】
一方、光源側格子１２７ａのＣ’点における回折により発生した±１次回折光のうちの＋１次回折光は、受光素子側格子１２７ａのＡＣ’点において再度回折され、±１次回折光（括弧を付して示している）を発生させる。このうちの実線で示される−１次回折光が上述したＡ点、ＡＣ’点を経由して発生する＋１次回折光と干渉する。
【００３３】
この場合、図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを比較するとわかるように、レーザ光の光軸と光学ユニット２６との相対角度が変動することにより、対応する干渉光がＹ軸方向（本実施形態では−Ｙ方向）にずれている、すなわち、干渉縞の干渉強度が変化する。受光素子１３６では、発生した干渉縞の干渉強度を検出し、受光面上における干渉縞の移動量を含む信号を不図示の制御装置に出力する。なお、本実施形態のチルトセンサ１００では、計測の原点が存在しないが、初期調整において、光学ユニット２６が所望の状態（例えば図２（Ａ）に示されるようにレーザ光が光学ユニットに対して垂直に入射する状態）に設定されたときの干渉縞の位置を原点とみなして、該原点からのずれを検出することとする。
【００３４】
ここで、本実施形態のように、ガラス板の表裏面に格子が配置されるスケールを採用する場合、光源側格子１２７ａをインデックススケール、受光素子側格子１２７ｂを移動スケールとみなして考えることができる。すなわち、移動スケールが傾いて、光ビーム出射位置が１ピッチ（２５．６μｍ）変化したとすると、ガラス内部の伝播角をθ’、ガラスの厚みをｔ、格子ピッチをｐとして、次式（１）のような関係になる。
【００３５】
ｔａｎθ’＝ｐ／ｔ …（１）
上式（１）は、ガラス内部に関する式であるので、屈折率を１．５、実際の光学ユニット２６の傾斜をθとすると、次式（２）のようになる。
【００３６】
ｓｉｎθ／ｓｉｎθ’＝１．５
ｓｉｎθ＝１．５ｓｉｎ[ｔａｎ-1（ｐ／ｔ）] …（２）
ここで、格子ピッチを２５．６μｍ、ガラス厚を３ｍｍとすると、θ＝４４（分）となる。したがって、干渉縞の１周期が４４分に相当することから、受光素子１３６の内挿数を５１２とすると分解能は、４４×６０／５１２＝約５．１６（秒）となる。また、受光素子１３６として多分割受光素子を採用しているので、９０°位相の異なる点の値を検出することにより、２相信号が得られ、傾斜の方向も計測することが可能となる。
【００３７】
なお、本実施形態の方式を用いることにより、傾斜に伴う±１次回折光同士の光路長差変動が発生しないので、傾斜が生じてもタルボ（トールボット）干渉の初期条件が変わることがなく、安定したチルト計測を行うことが可能である。
【００３８】
以上詳細に説明したように、本第１の実施形態のチルトセンサによると、光学ユニット２６に、光源側格子１２７ａと、該光源側格子１２７ａに対し、Ｚ軸方向に関して所定距離離れた位置に設けられた受光素子側格子１２７ｂとが設けられており、レーザ光と光学ユニット２６との相対的な角度変化に応じて、光学ユニット２６の光源側格子１２７ａと受光素子側格子１２７ｂで回折し形成される干渉縞の強度が変化するので、該干渉縞を受光素子で検出することにより、レーザ光と光学ユニット２６との相対的な角度関係を計測することが可能となる。
【００３９】
また、本実施形態では、光源側格子と受光素子側格子のピッチを異ならせているので、干渉縞の間隔（ピッチ）が大きくなる。例えば、本実施形態のように、光源側格子のピッチを２５．０μｍ、受光素子側格子のピッチを２５．６μｍとした場合には、約０．８ｍｍ程度のピッチの干渉縞が発生することになる。したがって、チルト計測に用いられる干渉縞のピッチが大きいことから、干渉縞の強度変化（受光素子の受光面における干渉縞の移動）を精度良く検出することができる。これにより、チルト計測精度を向上することが可能である。
【００４０】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係るエンコーダについて図３及び図４に基づいて説明する。図３には、本第２の実施形態のエンコーダ１７の概略的な構成が示されている。
【００４１】
このエンコーダ１７は、Ｙ軸方向に延びるスケール１８と、ビームプローブを射出するプローブ部１９とを含む。スケール１８には、Ｙ軸方向に周期性を有する反射型の回折格子（グレーティング１）が形成されている。図３に示されるように、この回折格子は凹凸面型の回折格子である。また、そのピッチ（周期）は、全区間で同一となっている。
【００４２】
前記プローブ部１９は、レーザダイオード２０と、該レーザダイオード２０の＋Ｙ側に配置された折り曲げミラー２２と、該折り曲げミラー２２の＋Ｚ側に順次配置された光学ユニット２６、ビームスプリッタ２８、及び対物レンズ３０と、ビームスプリッタ２８の＋Ｙ側に配置されたレンズ３２及び光センサ３４と、ビームスプリッタ２８の−Ｙ側に配置された受光素子３６とを含んでいる。
【００４３】
前記レーザダイオード２０は、例えば、波長６４０ｎｍのレーザ光を射出する。
【００４４】
前記折り曲げミラー２２は、例えばピエゾ素子などを含む駆動装置２４により振動される振動ミラーとしての機能を有するとともに、駆動装置２４によって角度調整可能とされている。不図示の制御装置は、駆動装置２４を介してレーザダイオード２０から出射されるレーザ光に対するミラー２２の反射面の角度を所望の角度に調整する。
【００４５】
前記光学ユニット２６は、前述したチルトセンサ１００における光学ユニットと同様であるが、ここでは、光源側格子は、入射したレーザ光に基づいて、０次回折光のメインビームと、±１次回折光の２つのサブビームを発生する。メインビームと、２つのサブビームとの配置関係は、これらのビームがスケール上に照射されたときに、格子の配列方向に沿って２つのサブビームの間にメインビームが配置される関係にある。
【００４６】
前記光センサ３４はＣＣＤ等から構成されており、前記受光素子３６は、前述したチルトセンサ１００の受光素子１３６と同様であり、不図示の制御装置に検出信号を出力する。
【００４７】
このように構成されるエンコーダ１７では、レーザダイオード２０から射出されたレーザ光は、折り曲げミラー２２でほぼ９０°反射され、光学ユニット２６に入射し、光学ユニット２６で、メインビームと２つのサブビームとに分離された後、ビームスプリッタ２８を通過して、対物レンズ３０によってスケール１８上のグレーティング１上に到達する。そして、グレーティング１上で反射したレーザ光は、対物レンズ３０を通過して、ビームスプリッタ２８で反射し、レンズ３２を経由して、光センサ３４で受光される。光センサ３４からの信号は、不図示の制御装置へ送られる。なお、この制御装置における信号検出の原理及び回路構成は、特表２０００−５１１６３４号公報及び米国特許第６，６３９，６８６号明細書等に詳細に開示されているので、詳細な説明を省略する。
【００４８】
なお、光センサ３４では、０次回折光のメインビームと、±１次回折光の２つのサブビームとに分割された状態で受光される。したがって、このようなプローブ部を採用した場合、光センサ３４としては、図４に示されるように、メインビーム検出用の４分割の光センサ３４3と、サブビーム検出用の２つのセンサ３４１、３４2とを用いることができる。
【００４９】
２つのサブビームの受光結果、すなわち光センサ３４1、３４2からの検出信号のいずれか一方からは、グレーティング１の峰と、ビームプローブの振動中心との相対距離を検出することが可能である。光センサ３４1、３４2からの信号から検出された振幅及び位相の検出値を加算した結果をエンコーダの計測値として検出し、減算した結果をレーザダイオードの位置ドリフトなどによるビームプローブのドリフト量として検出している。
【００５０】
なお、４分割の光センサ３４１の各センサの出力を例えばａ，ｂ，ｃ，ｄとすると、メインビームの検出結果からは、２つの信号（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ、ａ＋ｃ−ｂーｄ）を作成することができる。この２つの信号は、９０度の位相差を有しているので、この２つの信号は、制御装置へ送られ、対物レンズ３０とグレーティング１とのフォーカス制御に用いられる。
【００５１】
このように、プローブ部１９は、スケール１８に向けてレーザ光を出力し、スケール１８のグレーティング１上で反射したレーザ光（ビームプローブ）を光センサ３４で受光し、その受光結果に相当する信号を出力している。
【００５２】
ところで、図３からわかるように、光学ユニット２６を通過し、ビームスプリッタ２８で反射されたレーザ光は、受光素子３６に入射する。したがって、図３のエンコーダ１７のプローブ部１９においては、レーザダイオード２０は、図１のチルトセンサ１００の光源１２０に対応し、受光素子３６は図１の受光素子１３６に対応し、光学ユニット２６はチルトセンサ１００の光学ユニット２６と同一であるので、これらと、折り曲げミラー２２とにより、図１のチルトセンサ１００と同一の機能を有するチルトセンサ１００’が構成されていることになる。このチルトセンサ１００’により、光学ユニット２６と、光学ユニット２６に入射するレーザ光との相対角度を検出することができる。したがって、制御装置では、このチルトセンサ１００’による検出結果に基づいて駆動装置２４を介して折り曲げミラー２２の角度を調整することにより、光学ユニット２６に入射するレーザ光の角度を調整する。これにより、レーザ光を光学ユニット２６に理想的な角度で入射させることができるので、エンコーダ１７による計測を精度良く行うことが可能となる。
【００５３】
なお、光学ユニット２６からはメインビームと２つのサブビームが発生しているので、これらのビームから相対角度を求めても良いし、３つのビームのうち、いずれか１つを用いて相対角度を求めても良い。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態のエンコーダによると、レーザ光と光学ユニット２６との相対的な角度関係を計測することが可能なチルトセンサ１００’を含んでいることから、このチルトセンサ１００’による検出結果に基づいて、レーザ光と光学ユニット２６との角度関係を調整することができる。これにより、エンコーダによる位置計測を長期に渡って精度良く行うことが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態によると、エンコーダ１７のプローブ部１９に設けた光学ユニット２６自身に、光学ユニット２６の傾斜を計測するための機能を備えているので、部品点数を少なくすることができるので、エンコーダ自体の大型化を抑制することができる。
【００５６】
なお、上記第２の実施形態では、スケール１８として反射型の回折格子を用いることとしたが、これに限らず、透過型の回折格子を用いることとしても良い。この場合、レンズ３２及び光センサ３４は、スケール１８の＋Ｚ側に配置されることとなる。
【００５７】
なお、上記第２の実施形態のエンコーダは、回折干渉方式、影絵方式のエンコーダにも採用することが可能である。
【００５８】
更に、上記第２の実施形態の光学ユニット２６を、エンコーダのスケール１８として用いることも可能である。
【００５９】
なお、上記各実施形態では、光学ユニット２６として、ガラス板を用いることとしたが、これに限らず、任意の屈折率を有する部材であれば、その素材がガラスに限られるものではない。例えば、半導体などに回折格子を形成することとしても良い。
【００６０】
また、上記各実施形態では、光学ユニット２６に設けられた光源側格子１２７ａと受光素子側格子１２７ｂの格子ピッチが僅かに異なる（２５．０μｍと２５．６μｍ）場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではなく、両格子が同一ピッチであっても良い。
【００６１】
なお、上記各実施形態では、ガラス板の表裏面それぞれに光源側格子１２７ａと受光素子側格子１２７ｂとを設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図５（Ａ）に示される構成の光学ユニット２６’を採用することも可能である。この場合、光学ユニット２６を、例えば、被測定物に固定することとすることができる。
【００６２】
この光学ユニット２６’は、図５（Ａ）に示されるように、ガラス板から成り、該ガラス板の＋Ｚ側の面に回折格子１２７’が設けられ、−Ｚ側の面に反射膜１２９が設けられている。
【００６３】
このように構成される光学ユニット２６’によると、斜めに入射したレーザ光は、回折格子１２７’において、回折し、±１次回折光を発生する。これら±１次回折光、及び０次光はそれぞれ反射膜１２９で全反射し、回折格子１２７’で再度回折を受ける。ここで、干渉に寄与するのは、図５（Ａ）において実線で示される光である。
【００６４】
ここで、反射面を基準として展開した状態を示す図５（Ｂ）と、図２（Ａ），図２（Ｂ）とを比較すると原理は同様であるので、この変形例を採用した場合であっても、上記実施形態と同様の干渉が生じることが明らかである。
【００６５】
したがって、図２（Ａ）、図２（Ｂ）の場合と同様に、その他の点で回折するレーザ光の回折光（回折格子１２７’で回折し、その後反射膜１２９で反射し、再度回折格子１２７’で回折した光）と干渉するので、光路後方に設けられた受光素子（不図示）上に、干渉縞が形成される。
【００６６】
この場合も上述した実施形態と同様に、レーザ光の光学ユニットへの入射角度が異なると、干渉縞の受光素子上での位置が変化するので、干渉縞の位置を検出することにより、レーザ光の光学ユニットに対する入射角度を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上説明したように、本発明のチルトセンサは、照明光と光学ユニットとの相対角度を計測するのに適している。また、本発明のエンコーダは、パターンの検出に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施形態に係るチルトセンサを示す概略図である。
【図２】図２(Ａ)、図２（Ｂ）は、図１の光学ユニットの原理を説明するための図である。
【図３】第２の実施形態に係るエンコーダを示す概略図である。
【図４】図３の受光素子の構成を示す図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、チルトセンサの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２０，１２０…レーザダイオード（光源）、２６…光学ユニット、２６’…光学素子（光学ユニット）、３４，１３４…受光素子、１００，１００’…チルトセンサ、１２７ａ…光源側格子（第１の回折格子），１２７ｂ…受光素子側格子（第２の回折格子）、１２９…反射膜、１７…エンコーダ、ＩＬ…照明光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を出射する光源と；
第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；
前記光学ユニットで干渉した光を受光し、前記照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備えるチルトセンサ。
【請求項２】
前記光学ユニットは、任意の屈折率を有する部材を有し、該部材に前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のチルトセンサ。
【請求項３】
前記部材は前記照明光を透過可能な板状部材であり、
前記第１の回折格子は、前記板状部材の前記光源側の面に形成され、
前記第２の回折格子は、前記板状部材の前記光源側と反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のチルトセンサ。
【請求項４】
前記第１の回折格子の格子ピッチ及び前記第２の回折格子の格子ピッチは、同一又は僅かに異なることを特徴とする請求項３に記載のチルトセンサ。
【請求項５】
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の格子ピッチは同一であり、
前記受光素子は、前記光学ユニットに対する前記照明光の入射角度の変化を検出することを特徴とする請求項３に記載のチルトセンサ。
【請求項６】
前記部材は、ガラスから成ることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のチルトセンサ。
【請求項７】
照明光を出射する光源と；
前記光源側の面に回折格子が設けられ、これと反対側の面に反射膜が形成された任意の屈折率を有する光学素子と；
前記回折格子を通過した後、前記反射膜で反射され、前記回折格子を再度通過した光を受光し、前記照明光と前記光学素子との相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備えるチルトセンサ。
【請求項８】
前記受光素子は、多分割受光素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のチルトセンサ。
【請求項９】
所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、
第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；
前記光学ユニットを経由した照明光を受光し、前記光学ユニットに入射する照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備えるエンコーダ。
【請求項１０】
前記光学ユニットは、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子とが形成された板状部材を有し、
前記パターンは前記板状部材に形成されることを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のチルトセンサを備えるエンコーダ。
【請求項１２】
前記チルトセンサを構成する光学ユニットの回折格子を前記被検物体の位置を計測する回折格子として用いることを特徴とする請求項１１に記載のエンコーダ。
【請求項１】
照明光を出射する光源と；
第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；
前記光学ユニットで干渉した光を受光し、前記照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備えるチルトセンサ。
【請求項２】
前記光学ユニットは、任意の屈折率を有する部材を有し、該部材に前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のチルトセンサ。
【請求項３】
前記部材は前記照明光を透過可能な板状部材であり、
前記第１の回折格子は、前記板状部材の前記光源側の面に形成され、
前記第２の回折格子は、前記板状部材の前記光源側と反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のチルトセンサ。
【請求項４】
前記第１の回折格子の格子ピッチ及び前記第２の回折格子の格子ピッチは、同一又は僅かに異なることを特徴とする請求項３に記載のチルトセンサ。
【請求項５】
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子の格子ピッチは同一であり、
前記受光素子は、前記光学ユニットに対する前記照明光の入射角度の変化を検出することを特徴とする請求項３に記載のチルトセンサ。
【請求項６】
前記部材は、ガラスから成ることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のチルトセンサ。
【請求項７】
照明光を出射する光源と；
前記光源側の面に回折格子が設けられ、これと反対側の面に反射膜が形成された任意の屈折率を有する光学素子と；
前記回折格子を通過した後、前記反射膜で反射され、前記回折格子を再度通過した光を受光し、前記照明光と前記光学素子との相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備えるチルトセンサ。
【請求項８】
前記受光素子は、多分割受光素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のチルトセンサ。
【請求項９】
所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、
第１の回折格子と、前記第１の回折格子に対し、前記照明光の光路方向に関して所定の位置関係で配置された第２の回折格子とを有する光学ユニットと；
前記光学ユニットを経由した照明光を受光し、前記光学ユニットに入射する照明光と前記光学ユニットとの相対的な角度変化に関する信号を出力する受光素子と；を備えるエンコーダ。
【請求項１０】
前記光学ユニットは、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子とが形成された板状部材を有し、
前記パターンは前記板状部材に形成されることを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
所定方向に沿って配列されたパターンに照明光を照射し、前記パターンを検出するエンコーダであって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のチルトセンサを備えるエンコーダ。
【請求項１２】
前記チルトセンサを構成する光学ユニットの回折格子を前記被検物体の位置を計測する回折格子として用いることを特徴とする請求項１１に記載のエンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１７８２８１（Ｐ２００７−１７８２８１Ａ）
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７７６４７（Ｐ２００５−３７７６４７）
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【出願人】（５９３１５２６６１）株式会社仙台ニコン (63)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【出願人】（５９３１５２６６１）株式会社仙台ニコン (63)
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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