JP2006029912A - Optical mobile information detector, encoder and electronic equipment - Google Patents
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Description
本発明は、光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器に関し、移動する被測定物にレーザ光を照射し、上記被測定物の移動速度に応じた光の周波数偏移を含む反射光を受光して上記被測定物の速度を検出するドップラー式の光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器に関する。 The present invention relates to an optical movement information detection apparatus, an encoder, and an electronic apparatus, and irradiates a laser beam to a moving object to be measured and receives reflected light including a frequency shift of light according to the moving speed of the object to be measured. The present invention relates to a Doppler-type optical movement information detection device, an encoder, and an electronic device that detect the speed of the object to be measured.
一般に光源と観測者が相対的な運動をしている時、ドップラー効果により、上記光源からの光は周波数の変化を受ける。レーザドップラー速度計(以下、LDV(Laser Doppler Velocimeter)と言う。)はこの現象を利用するものであり、移動する被測定物にレーザ光を照射して、上記被測定物からの散乱光のドップラー周波数偏移を測定し、上記被測定物の移動速度を測定する。このようなLDVは、1964年にYehとCumminsによって発表され(Appl. Phys. Lett. 4‐10 (1964) 176)、現在では一般に広く知られており、実用化されている。 In general, when the light source and the observer are moving relative to each other, the light from the light source undergoes a change in frequency due to the Doppler effect. A laser Doppler velocimeter (hereinafter referred to as LDV (Laser Doppler Velocimeter)) utilizes this phenomenon, and irradiates a moving measurement object with a laser beam, thereby performing Doppler of scattered light from the measurement object. The frequency shift is measured, and the moving speed of the object to be measured is measured. Such LDV was published by Yeh and Cummins in 1964 (Appl. Phys. Lett. 4-10 (1964) 176) and is now widely known and put into practical use.
図9は、従来のLDVの光学系を示す図である。図9において、101は半導体レーザであるレーザーダイオード(以下、LD(Laser Diode)と言う。)、102は受光素子であるフォトダイオード(以下、PD(Photo Diode)と言う。)、103は回折格子、104はコリメータレンズ(以下、CLと言う。)、105はミラー、106は集光レンズ、107は回折格子103による+1次回折光の第1の光束、108は回折格子103による−1次回折光の第2の光束、113は被測定物である。
FIG. 9 shows a conventional LDV optical system. In FIG. 9, 101 is a laser diode (hereinafter referred to as LD (Laser Diode)) that is a semiconductor laser, 102 is a photodiode (hereinafter referred to as PD (Photo Diode)) that is a light receiving element, and 103 is a diffraction grating. , 104 is a collimator lens (hereinafter referred to as CL), 105 is a mirror, 106 is a condenser lens, 107 is a first light beam of + 1st order diffracted light by the diffraction grating 103, and 108 is -1st order diffracted light by the diffraction grating 103. A
上記構成の光学系では、LD101から出射したレーザ光はCL104により平行光束に変換された後、回折格子103により角度θの回折角で±1次回折光に分割されて、第1および第2の光束107,108となる。この第1および第2の光束107,108は、それぞれミラー105で反射された後、被測定物113の表面に入射角θで各々入射して、上記被測定物113で散乱すると共に、一部が互いに重なり合う。上記被測定物113で散乱された第1および第2の光束107,108は、ドップラー周波数偏移を受けており、LD101の発振周波数と若干異なる。このため、上記第1および第2の光束107,108の干渉波は、うなりを生じる。このうなりをビート信号と呼ぶ。このビート信号のうなり周波数をPD102でヘテロダイン検波することにより、上記被測定物113の移動速度を求めることができる。以下、上記被測定物113の移動速度を求める方法を、詳細に説明する。
In the optical system configured as described above, the laser light emitted from the
いま、被測定物113が移動する方向(図9において右向き)を正方向とすると、第1の光束107は−fd、第2の光束108は+fdのドップラー周波数偏移を受け、第1の光束107の見かけの周波数は(f0−fd)、第2の光束108の見かけの周波数は(f0+fd)となる。ただし、f0はLD101の発振周波数である。このとき、LD101から出射する光の電場は、E0・cos(2πf0t)と表すことができるので、第1の光束107は下記の式1で表すことができ、第2の光束108は下記の式2で表わすことができる。
ただし、上記式1,2において、f0はLD101の出射光の周波数、E0はLD101の出射光の振幅、EAは第1の光束107の振幅、EBは第2の光束108の振幅、φAは第1の光束107の位相、φBは第2の光束108の位相である。
In
光の周波数は一般に100THz(1014Hz)程度であるので、式1や式2の周波数情報を直接測定することができない。このため、上述のようにヘテロダイン検波が一般に用いられる。すなわち、f0≫fdが成り立つので、式1および式2の光の干渉波は、
図10は、移動速度Vで移動する被測定物113に関して、2つの光束がそれぞれ角度αおよびβで被測定物113に入射すると共に、角度γの位置で散乱光を受光した時の図である。 FIG. 10 is a diagram of the object to be measured 113 moving at the moving speed V when two light beams enter the object to be measured 113 at angles α and β, respectively, and receive scattered light at the position of angle γ. .
ドップラー効果による周波数の偏移量は、厳密には相対論によるローレンツ変換を用いて求められるが、移動速度Vが光速cに比べて十分小さいときには、近似的に以下のように求めることができる。光源A、光源Bからの光と移動物体の相対速度VA1,VB1は、下記の式4および5のように表される。
また、上記被測定物113から見たそれぞれの光の見かけの周波数fA1,fB1は、下記の式6および7のように表される。
それぞれの散乱(反射)光と被測定物113の相対速度VA2,VB2は、下記の式8および9のように表される。
したがって、観測点から見た光の周波数fA2,fB2は、下記の式10および11のように表すことができる。
式10および11の周波数周波数fA2,fB2と、入射光の周波数f0(=c/λ)との差がドップラー周波数偏移量fdになる。いま、観測点で測定される2つの光束のうなり周波数2fd(式3参照)は、c≫Vであることから、以下の式12のように表される。
したがって、うなり周波数2fdは、観測点の位置(角度:γ)に依らないことがわかる。図10において、α=β=θであるとすると、図9の一般的なLDV光学系では、式12より、下記の式13が成立する。
したがって、式3で表される周波数2fdを測定し、式13を用いて計算することにより、被測定物113の移動速度Vを求めることができる。
Accordingly, the moving speed V of the
また、式13は、以下のように幾何学的に考えることも可能である。図11は、図9の2つの光束(第1および第2の光束107,108)が重なり合う領域の拡大図である。2つの光束が互いに角度2θをなして交差しており、図中の破線は各々の光束の等波面の一部を示している。この破線と破線との間隔が光の波長λとなる。また、帯状の領域が干渉縞の明部であり、その間隔をΔとすると、このΔは下記の式14のように表される。
図11のように、物体114が移動速度Vで干渉縞を垂直に通過するとき、上記物体114が単位時間あたりに上記干渉縞を横切る数である周波数fは、下記の数15のように表される。
したがって、式13のうなり周波数2fdと等しい。 Therefore, it is equal to the beat frequency 2f d of Equation 13.
しかしながら、上述のような関係は理想的な条件で成立するものである。より詳しくは、入射レーザ光の被測定物での反射の際に、位相の乱れが生じなくて、上記被測定物の反射率が場所によらず一定の場合に成立する。現実には、移動する被測定物を連続して測定していると、例えば図12に示すようなビート信号の振幅が非常に小さくなる信号欠落状態が出現する。このような状態はドロップアウトと呼ばれる。このドロップアウトが発生すると、信号不感状態となり、被測定物の移動情報を検出することができないという問題がある。 However, the above relationship is established under ideal conditions. More specifically, this is true when there is no phase disturbance when the incident laser light is reflected by the object to be measured, and the reflectance of the object to be measured is constant regardless of the location. In reality, when a moving object to be measured is continuously measured, for example, a signal missing state in which the amplitude of the beat signal becomes very small as shown in FIG. 12 appears. Such a state is called a dropout. When this dropout occurs, there is a problem that it becomes a signal insensitive state and movement information of the object to be measured cannot be detected.
このような問題を解決するドップラー速度計が、特開平4−25792号公報(特許文献1)に開示されている。この速度計では、ドップラー信号のレベルが一定値以下になると、ドロップアウトが発生したと判断する。そして、その後信号が再度復帰してドップラー信号のレベルが一定値以上になるまで、上記ドロップアウトが発生した直前の周波数と同じ周波数を有する一定強度の信号を発生させて、上記ドロップアウトの間の信号を補間する。このようにして、ドロップアウトが発生した時の検出精度の低下を防いでいる。 JP-A-4-25792 (Patent Document 1) discloses a Doppler velocimeter that solves such a problem. This speedometer determines that a dropout has occurred when the Doppler signal level falls below a certain value. Then, until the signal returns again and the level of the Doppler signal reaches a certain value or more, a signal having a constant strength having the same frequency as the frequency immediately before the dropout is generated is generated. Interpolate the signal. In this way, a drop in detection accuracy when dropout occurs is prevented.
また、他の従来の速度計(特開平7−229911号公報:特許文献2)では、同一領域からの散乱光を複数の検出器で検出して、一つの検出器からの信号にドロップアウトが発生したとき、他の検出器からの信号に切り替える。これにより、信号不感状態の発生に起因して速度検出が不能になる確率を低減させている。 In another conventional speedometer (Japanese Patent Laid-Open No. 7-229911: Patent Document 2), scattered light from the same region is detected by a plurality of detectors, and a dropout is generated in a signal from one detector. When it occurs, it switches to a signal from another detector. This reduces the probability that speed detection will be impossible due to the occurrence of a signal insensitive state.
しかしながら、ドロップアウト時に信号を補完する従来のドップラー速度計は、ドロップアウト直前の信号で補間を行うので、ドロップアウト中に被測定物の移動速度に変化があった場合には、測定値に誤差が生じて不正確になる。したがって、上記ドロップアウトの期間が長くなるにつれて、上記誤差は大きくなってしまって、高精度の測定をすることができないという問題がある。 However, the conventional Doppler velocimeter that complements the signal at the time of dropout interpolates with the signal immediately before the dropout, so if there is a change in the moving speed of the object to be measured during the dropout, the measured value will have an error. Occurs and becomes inaccurate. Therefore, as the dropout period becomes longer, the error becomes larger, and there is a problem that high-precision measurement cannot be performed.
また、複数の検出器を用いる従来の速度計は、全ての検出器の出力に同時にドロップアウトが発生した場合には測定が不可能になり、被測定物が「停止」状態であると誤判断されてしまうという問題がある。
そこで、本発明の課題は、ドロップアウトの発生を抑制し、高精度に位置に関する情報を検出できる光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical movement information detection device, an encoder, and an electronic apparatus that can suppress the occurrence of dropout and can detect information about a position with high accuracy.
上記課題を解決するため、本発明の光学式移動情報検出装置は、
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から出射した光を、第1光束と第2光束とに分割する光分岐素子と、
上記第1光束と第2光束を、互いに略同じ方向に反射させる少なくとも2つの反射面を有する被測定物と、
上記第1光束と第2光束を、上記反射面上に導く第1光学系と、
上記第1光束の反射光と第2光束の反射光とで得られる干渉光を受ける受光素子と、
上記第1光束の反射光と、上記第2光束の反射光とを上記受光素子に導く第2光学系と、
上記受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路とを備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the optical movement information detection device of the present invention is
A semiconductor light emitting device that emits coherent light;
A light branching element that splits the light emitted from the semiconductor light emitting element into a first light flux and a second light flux;
An object to be measured having at least two reflecting surfaces for reflecting the first luminous flux and the second luminous flux in substantially the same direction;
A first optical system for guiding the first and second light fluxes onto the reflecting surface;
A light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the first light flux and the reflected light of the second light flux;
A second optical system for guiding the reflected light of the first light flux and the reflected light of the second light flux to the light receiving element;
And a signal processing circuit for processing a signal from the light receiving element and calculating a moving speed of the object to be measured.
上記構成によれば、上記第1光束および第2光束は、上記被測定物の少なくとも2つの反射面で各々反射するので、各光束の位相(波面)に乱れが殆ど生じない。したがって、上記第1および第2光束によって均一な干渉光が得られるので、この干渉光の強度の変化をビート信号として検出することにより、上記被測定物の移動速度等を高精度に検知できる。 According to the above configuration, the first light beam and the second light beam are reflected by at least two reflecting surfaces of the object to be measured, so that the phase (wavefront) of each light beam is hardly disturbed. Therefore, uniform interference light can be obtained by the first and second light beams, and the movement speed of the object to be measured can be detected with high accuracy by detecting the change in the intensity of the interference light as a beat signal.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第1光束の入射角が2αであり、上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第2光束の入射角が2βであるとき、
上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に対してαとβの角度を各々有する少なくとも2つの反射面である。
In the optical movement information detecting device according to an embodiment, an incident angle of the first light beam with respect to a direction perpendicular to the moving direction of the object to be measured is 2α, and the second light beam with respect to a direction perpendicular to the moving direction of the object to be measured. When the incident angle is 2β,
The reflecting surfaces of the object to be measured are at least two reflecting surfaces each having an angle of α and β with respect to the moving direction of the object to be measured.
上記実施形態によれば、上記第1および第2光束の正反射光を、略同じ方向に向かって反射させることができるので、効率良く干渉信号を得ることができる。 According to the embodiment, since the specularly reflected light of the first and second light beams can be reflected in substantially the same direction, an interference signal can be obtained efficiently.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に向かって周期的に変化する形状を有する。 In the optical movement information detection device of one embodiment, the reflection surface of the object to be measured has a shape that periodically changes in the moving direction of the object to be measured.
上記実施形態によれば、上記反射面は上記被測定物の移動方向に向かって周期的に変化する形状を有するので、上記反射面で反射された第1および第2光束の干渉光を、連続的に安定して得ることができる。したがって、長時間および長距離に亘って高精度の測定ができる。 According to the embodiment, since the reflection surface has a shape that periodically changes in the moving direction of the object to be measured, the interference light of the first and second light beams reflected by the reflection surface is continuously generated. Can be obtained stably. Therefore, highly accurate measurement can be performed over a long time and a long distance.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記αとβが互いに略同じであり、隣り合う2つの上記反射面が、上記被測定物の移動方向の断面において、2等辺3角形の互いに等しい2つの辺に相当する形状を有する。 In the optical movement information detecting device according to one embodiment, α and β are substantially the same, and two adjacent reflecting surfaces are equal to each other in an isosceles triangle in a cross section in the moving direction of the object to be measured. It has a shape corresponding to two sides.
上記実施形態によれば、上記反射面での反射光に基づいて上記被測定物の移動情報を算出する際、上記信号処理回路の処理において必要となる角度情報は一つでよい。したがって、上記信号処理回路による計算を簡易にできる。 According to the embodiment, when calculating the movement information of the object to be measured based on the reflected light from the reflection surface, only one angle information is necessary in the processing of the signal processing circuit. Therefore, the calculation by the signal processing circuit can be simplified.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、上記半導体発光素子の出射光の波長よりも小さい範囲で起伏する凹凸を有する。 In the optical movement information detection device of one embodiment, the reflection surface of the object to be measured has irregularities that undulate in a range smaller than the wavelength of the emitted light of the semiconductor light emitting element.
上記実施形態によれば、上記反射面の凹凸は、この反射面に入射する上記第1および第2光束の波長よりも小さい範囲で起伏しているので、上記光束の反射光の位相が乱れることがない。したがって、連続して安定したビート信号を得ることができる。 According to the embodiment, the unevenness of the reflecting surface is undulated in a range smaller than the wavelengths of the first and second light beams incident on the reflecting surface, so that the phase of the reflected light of the light beam is disturbed. There is no. Therefore, a continuous and stable beat signal can be obtained.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、光学ミラーである。 In one embodiment of the optical movement information detecting device, the reflection surface of the object to be measured is an optical mirror.
上記実施形態によれば、安定したビート信号を、確実かつ連続的に得ることができる。 According to the above embodiment, a stable beat signal can be obtained reliably and continuously.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第1および第2光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記2等辺3角形の底辺の長さの1/2よりも大きい照射寸法を有する。 In the optical movement information detecting device according to an embodiment, the first and second light beams are more than half the length of the base of the isosceles triangle on the reflection surface of the object to be measured. Has a large irradiation dimension.
上記実施形態によれば、上記反射面における上記第1および第2光束の照射寸法が、上記反射面の断面における形状である2等辺3角形の底辺の長さの1/2よりも大きいので、上記第1および第2光束を、確実に所定方向に正反射させることができる。 According to the embodiment, the irradiation size of the first and second light fluxes on the reflecting surface is larger than ½ of the length of the base of the isosceles triangle that is the shape in the cross section of the reflecting surface. The first and second light beams can be positively reflected in a predetermined direction with certainty.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第1および第2の光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記2等辺3角形の底辺の長さと略等しい照射寸法を有する。 In the optical movement information detecting device of one embodiment, the first and second light fluxes have an irradiation dimension substantially equal to a length of a base of the isosceles triangle on the reflecting surface of the object to be measured. Have.
上記実施形態によれば、上記反射面が反射する上記第1および第2光束の光量を、略同じにできるので、S/N(信号・雑音比)が高い信号を得ることができる。 According to the embodiment, since the light amounts of the first and second light beams reflected by the reflecting surface can be made substantially the same, a signal with a high S / N (signal / noise ratio) can be obtained.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記2等辺3角形の底角が30°である。 In the optical movement information detection device of one embodiment, the base angle of the isosceles triangle is 30 °.
上記実施形態によれば、上記反射面の断面における2等辺3角形の形状が、30°の底角を有するので、上記第1および第2光束を効率良く上記受光素子に導くことができる。したがって、所定の信号強度を得るために必要な半導体発光素子の出射光量を低減できて、この光学式移動情報検出装置の消費電力を低減できる。 According to the embodiment, since the isosceles triangle shape in the cross section of the reflecting surface has a base angle of 30 °, the first and second light beams can be efficiently guided to the light receiving element. Therefore, it is possible to reduce the amount of emitted light of the semiconductor light emitting element necessary for obtaining a predetermined signal intensity, and to reduce the power consumption of the optical movement information detecting device.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面と、上記受光素子との間に、上記第1および第2光束の反射光を通過させるピンホールを備える。 The optical movement information detection device according to an embodiment includes a pinhole that allows the reflected light of the first and second light beams to pass between the reflection surface of the object to be measured and the light receiving element.
上記実施形態によれば、上記光束の反射面への入射角や、上記反射面が被測定物の進行方向に対して有する角度等に誤差がある場合、上記反射面で反射された正反射光の進行方向にずれが生じる。ここで、上記ピンホールによって、上記ずれた正反射光のうち、上記受光素子に入射すべき光のみを取り出すことができるので、上記誤差が生じたとしても、S/Nの比較的良好なビート信号を得ることができる。 According to the embodiment, when there is an error in the incident angle of the light beam to the reflection surface or the angle that the reflection surface has with respect to the traveling direction of the object to be measured, the specularly reflected light reflected by the reflection surface Deviation occurs in the traveling direction. Here, only the light that should be incident on the light receiving element out of the shifted specularly reflected light can be extracted by the pinhole, so even if the error occurs, a beat with a relatively good S / N is obtained. A signal can be obtained.
なお、上記ピンホールに換えて、例えば格子やスリット等を設けてもよい。 Instead of the pinhole, for example, a lattice or a slit may be provided.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第1および第2の光束は、光量が互いに略等しい。 In the optical movement information detecting device according to an embodiment, the first and second light fluxes have substantially the same amount of light.
上記実施形態によれば、第1および第2光束の光量が互いに略等しいので、S/Nの良い信号を得ることができる。 According to the above embodiment, since the light amounts of the first and second light beams are substantially equal to each other, a signal having a good S / N can be obtained.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第1および第2光束の反射光を、下記の式16および17で表す場合、上記第1および第2光束の反射光に関して、下記の式18の関係が成立する。
A・cos((w0−wd)t)・・・(16)
B・cos((w0−wd)t−6π/λ・Ltanθ)・・・(17)
−2/3π+2(n−1)π<6π/λ・Ltanθ<2/3π+2(n−1)π・・・(18)
ここにおいて、Aは上記第1光束の光強度、Bは上記第2光束の光強度、w0は上記半導体発光素子からの光の周波数、wdはドップラー周波数偏位、tは時間、λは上記半導体発光素子からの光の波長、Lは上記被測定物の反射面の上記2等辺3角形の底辺の長さの1/2、θは上記2等辺3角形の底角、nは自然数である。
When the reflected light of the first and second light fluxes is expressed by the following
A · cos ((w 0 −w d ) t) (16)
B · cos ((w 0 −w d ) t−6π / λ · Ltan θ) (17)
−2 / 3π + 2 (n−1) π <6π / λ · Ltanθ <2 / 3π + 2 (n−1) π (18)
Here, A is the light intensity of the first light beam, B is the light intensity of the second light beam, w 0 is the frequency of the light from the semiconductor light emitting element, w d is the Doppler frequency deviation, t is the time, and λ is The wavelength of light from the semiconductor light emitting element, L is ½ the length of the base of the isosceles triangle of the reflecting surface of the object to be measured, θ is the base angle of the isosceles triangle, and n is a natural number. is there.
上記実施形態によれば、上記式16乃至18を満たすことにより、上記第1および第2光束の反射光の位相差が、所定の範囲内に制限されるので、上記反射光の干渉光が弱まることが防止される。したがって、強度が比較的強い光を上記受光素子で受光できるので、上記被測定物の移動情報を高精度に検出することができる。 According to the embodiment, satisfying the equations 16 to 18 restricts the phase difference between the reflected lights of the first and second light fluxes within a predetermined range, so that the interference light of the reflected light is weakened. It is prevented. Therefore, since the light having a relatively high intensity can be received by the light receiving element, the movement information of the object to be measured can be detected with high accuracy.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、
上記第1および第2光束の反射光に関して、下記の式19および20の関係が成立することを特徴としている。
A≠B・・・(19)
3L/λ・tanθ<(2m−1)・・・(20)
ここにおいて、mは自然数である。
The optical movement information detection device of one embodiment
With respect to the reflected light of the first and second light beams, the following
A ≠ B (19)
3L / λ · tan θ <(2m−1) (20)
Here, m is a natural number.
上記実施形態によれば、上記第1および第2光束の反射光は、上記式19および20の関係が成立することにより、互いに打ち消しあって消滅することが確実に防止される。したがって、この光学式移動情報検出装置は、安定した情報検出動作を確実に行うことができる。
According to the above embodiment, the reflected lights of the first and second light beams are reliably prevented from canceling out and disappearing due to the relationship of the
本発明のエンコーダは、上記光学式移動情報検出装置を備える。 An encoder of the present invention includes the optical movement information detection device.
上記構成によれば、安定して高精度に被測定物の位置検出および速度検出を行うことができるエンコーダが得られる。 According to the above configuration, an encoder capable of stably detecting the position and speed of the object to be measured with high accuracy can be obtained.
一実施形態のエンコーダは、上記反射面は、上記被測定物に円環状に配置されている。 In the encoder according to an embodiment, the reflecting surface is arranged in an annular shape on the object to be measured.
上記実施形態によれば、上記反射面を上記被測定物に円環状に配置することにより、回転する上記被測定物の速度および位置を検出するロータリーエンコーダを形成できる。 According to the embodiment, a rotary encoder that detects the speed and position of the rotating object to be measured can be formed by arranging the reflecting surface in an annular shape on the object to be measured.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物はSi(シリコン)ウェハで形成され、上記被測定物の反射面は異方性エッチングで形成されている。 In an optical movement information detecting device according to an embodiment, the object to be measured is formed of a Si (silicon) wafer, and a reflection surface of the object to be measured is formed by anisotropic etching.
上記実施形態によれば、上記Siウェハの面方位に沿った異方性エッチングを行うことにより、上記被測定物に、所定の傾斜角を正確に有すると共に、表面の凹凸が比較的少ない反射面を容易に形成することができる。 According to the embodiment, by performing anisotropic etching along the surface orientation of the Si wafer, the object to be measured has a predetermined inclination angle accurately and has a relatively small surface unevenness. Can be easily formed.
本発明の光学式移動情報検出装置は、
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から出射した光を、第1光束と第2光束とに分割する第1光分岐素子と、
上記第1光束を、第3および第4光束に分割する第2光分岐素子と、
上記第2光束を、第5および第6光束に分割する第3光分岐素子と、
上記第3および第4光束を互いに略同じ方向に反射させると共に、上記第5および第6光束を互いに略同じ方向に反射させる少なくとも4つの反射面を有する被測定物と、
上記第3および第4光束を、上記反射面上の第1の位置に導く第1光学系と、
上記第5および第6光束を、上記反射面上の第2の位置に導く第2光学系と、
上記第3光束の反射光と第4光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第1受光素子と、
上記第5光束の反射光と第6光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第2受光素子と、
上記第3光束の反射光と、上記第4光束の反射光とを上記第1受光素子に導く第3光学系と、
上記第5光束の反射光と、上記第6光束の反射光とを上記第2受光素子に導く第4光学系と、
上記第1および第2受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路と
を備えることを特徴としている。
The optical movement information detecting device of the present invention is
A semiconductor light emitting device that emits coherent light;
A first light branching element that splits light emitted from the semiconductor light emitting element into a first light flux and a second light flux;
A second optical branching element that splits the first luminous flux into third and fourth luminous fluxes;
A third light branching element that splits the second light flux into fifth and sixth light fluxes;
An object to be measured having at least four reflecting surfaces for reflecting the third and fourth light beams in substantially the same direction and reflecting the fifth and sixth light beams in substantially the same direction;
A first optical system for guiding the third and fourth light fluxes to a first position on the reflecting surface;
A second optical system for guiding the fifth and sixth light beams to a second position on the reflecting surface;
A first light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the third light beam and the reflected light of the fourth light beam;
A second light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the fifth light beam and the reflected light of the sixth light beam;
A third optical system for guiding the reflected light of the third light flux and the reflected light of the fourth light flux to the first light receiving element;
A fourth optical system for guiding the reflected light of the fifth light flux and the reflected light of the sixth light flux to the second light receiving element;
And a signal processing circuit for processing signals from the first and second light receiving elements to calculate a moving speed of the object to be measured.
上記構成によれば、上記被測定物の4つの反射面のうちの2つの反射面で、上記第3および第4光束を反射して干渉光を得ると共に、上記被測定物の4つの反射面のうちの他の2つの反射面で、上記第5および第6光束を反射して干渉光を得ることができる。したがって、上記被測定物に関して、2次元の移動情報を高精度に検出することができる。 According to the above configuration, two of the four reflecting surfaces of the object to be measured reflect the third and fourth light beams to obtain interference light, and the four reflecting surfaces of the object to be measured. The other two reflecting surfaces can reflect the fifth and sixth light beams to obtain interference light. Therefore, two-dimensional movement information can be detected with high accuracy with respect to the object to be measured.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、4角柱形状の側面を有する突起が周期的に配置された形状を有する。 In the optical movement information detecting device of one embodiment, the reflection surface of the object to be measured has a shape in which protrusions having a quadrangular prism shape are periodically arranged.
上記実施形態によれば、上記被測定物の反射面は、上記4角柱形状の側面を有する突起が周期的に配置された形状を有するので、上記第3および第4光束を略同じ方向に反射できると共に、上記第5および第6光束を略同じ方向に反射できる。 According to the embodiment, the reflection surface of the object to be measured has a shape in which the protrusions having the side surfaces of the quadrangular prism shape are periodically arranged, so that the third and fourth light beams are reflected in substantially the same direction. In addition, the fifth and sixth light beams can be reflected in substantially the same direction.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、4角柱形状の側面を有する窪みが周期的に配置された形状を有する。 In the optical movement information detecting device of one embodiment, the reflection surface of the object to be measured has a shape in which depressions having a quadrangular prism-shaped side surface are periodically arranged.
上記実施形態によれば、上記被測定物の反射面は、4角柱形状の側面を有する窪みが周期的に配置された形状を有するので、上記第3および第4光束を略同じ方向に反射できると共に、上記第5および第6光束を略同じ方向に反射できる。 According to the embodiment, since the reflection surface of the object to be measured has a shape in which depressions having a quadrangular prism side surface are periodically arranged, the third and fourth light beams can be reflected in substantially the same direction. At the same time, the fifth and sixth light beams can be reflected in substantially the same direction.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第1および第2受光素子は、同一基板上に形成されている。 In one embodiment of the optical movement information detecting device, the first and second light receiving elements are formed on the same substrate.
上記実施形態によれば、上記第1および第2受光素子を同一基板上に形成することにより、上記光学式移動情報検出装置を小型化できるとともに、コストダウンをすることができる。 According to the embodiment, by forming the first and second light receiving elements on the same substrate, the optical movement information detecting device can be reduced in size and the cost can be reduced.
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記受光素子と信号処理回路は、同一基板上に形成されている。 In the optical movement information detecting device according to an embodiment, the light receiving element and the signal processing circuit are formed on the same substrate.
上記実施形態によれば、上記受光素子と信号処理回路を同一基板上に形成することにより、上記光学式移動情報検出装置を小型化できるとともに、コストダウンをすることができる。 According to the embodiment, by forming the light receiving element and the signal processing circuit on the same substrate, the optical movement information detecting device can be miniaturized and the cost can be reduced.
本発明の電子機器は、上記光学式移動情報検出装置を備える。 The electronic apparatus of the present invention includes the optical movement information detection device.
上記構成によれば、被測定物の移動情報を高精度に検出できる上記光学式移動情報検出装置を備えるので、上記被測定物に関する動作を高精度に制御できる電子機器が得られる。 According to the above configuration, since the optical movement information detection device capable of detecting the movement information of the object to be measured with high accuracy is provided, an electronic apparatus capable of controlling the operation relating to the object to be measured with high accuracy can be obtained.
本発明の電子機器は、上記エンコーダを備える。 The electronic device of the present invention includes the encoder.
上記構成によれば、被測定物の移動情報を高精度に検出できる上記エンコーダを備えるので、上記被測定物に関する動作を高精度に制御できる電子機器が得られる。 According to the above configuration, since the encoder capable of detecting the movement information of the object to be measured with high accuracy is provided, an electronic apparatus capable of controlling the operation relating to the object to be measured with high accuracy can be obtained.
以上のように、本発明の光学式移動情報検出装置は、可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、上記半導体発光素子から出射した光を、第1光束と第2光束とに分割する光分岐素子と、上記第1光束と第2光束を、互いに略同じ方向に反射させる少なくとも2つの反射面を有する被測定物と、上記第1光束と第2光束を、上記反射面上に導く第1光学系と、上記第1光束の反射光と第2光束の反射光とで得られる干渉光を受ける受光素子と、上記第1光束の反射光と、上記第2光束の反射光とを上記受光素子に導く第2光学系と、上記受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路とを備えるので、上記第1および第2光束によって均一な干渉光が得られるから、この干渉光の強度の変化をビート信号として検出することにより、上記被測定物の移動速度等を高精度に検知できる。 As described above, the optical movement information detecting apparatus of the present invention divides the semiconductor light emitting element that emits coherent light and the light emitted from the semiconductor light emitting element into the first light flux and the second light flux. An optical branching element, an object to be measured having at least two reflecting surfaces that reflect the first and second light beams in substantially the same direction, and the first and second light beams are guided onto the reflecting surface. A first optical system; a light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the first light flux and the reflected light of the second light flux; the reflected light of the first light flux; and the reflected light of the second light flux. A second optical system that leads to the light receiving element; and a signal processing circuit that processes a signal from the light receiving element and calculates a moving speed of the object to be measured. Since interference light is obtained, the change in the intensity of this interference light is used as the beat signal. By detecting Te, it can detect the moving speed of the object to be measured with high accuracy.
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態の光学式移動情報検出装置としてのドップラー速度計(LDV)を示す概略構成図である。図1では、光学部品の主要な部品および光線の軌跡のみを図示して、光学部品を保持する部品等の図示は省略している。ここで、光源としては発光ダイオード(以下、LED(Light Emitting Diode)という)や半導体レーザ(以下、LD(Laser Diode)という)などを用いることができ、2つの光束の干渉によるうなりを容易に生じるにはLDが望ましい。しかしながら、上記光学系の光路長内で可干渉性を有するのであれば、例えば電流狭窄型LED等のLEDを用いることもできる。なお、第1実施形態ではLDを用いている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a Doppler velocimeter (LDV) as an optical movement information detecting device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, only the main components of the optical component and the trajectory of the light beam are shown, and the components that hold the optical component are not shown. Here, as the light source, a light emitting diode (hereinafter referred to as LED (Light Emitting Diode)), a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD (Laser Diode)), or the like can be used, and a beat due to interference of two light beams is easily generated. For this, LD is desirable. However, for example, an LED such as a current confined LED may be used as long as it has coherence within the optical path length of the optical system. In the first embodiment, an LD is used.
本実施形態において、LD1から出射した光は、コリメータレンズ(以下、CLという)2により平行光束に変換される。一般に、LDから出射した光の強度分布は、光軸を中心にガウス分布をしており、楕円形のファーフィールドパターン(FFP)となる。このため、出射したLD光をそのまま検出点に照射すると、検出点上で光強度のムラができて、干渉縞の強度が一様ではなくなるため、ビート信号を高精度に検出することが困難になる。したがって、本実施形態では、光束外側の光強度の弱い部分をカットして、光強度が一様な円形光束を形成するために、例えば円形の絞り3を設けてある。また、LDの出射光の偏光方向は、本実施形態においては、S波として取り扱うために、紙面に垂直な方向について説明するが、これに限定されるものではない。
In the present embodiment, light emitted from the
上記絞り3を通過した光は、光分岐素子の一例としてのビームスプリッタ(以下、BSという)4で第1光束5と第2光束6とに分割される。上記第2光束6はミラー7によって進行方向が変更されて、第1光束5と平行となって集光レンズ(以下、OL)8に入射する。そして、上記第2光束6は、上記OL8の焦点距離に配置された被測定物9の反射面上に、上記第1光束5と同一のスポットに照射される。ここで、上記被測定物9の反射面は、上記被測定物9の移動方向と平行な断面において、2等辺3角形の長さが互いに等しい2つの辺に相当する形状を有する。また、上記OL8に入射する第1および第2光束5,6は、光軸が互いに平行であり、かつ、上記2等辺3角形の底辺に対して直角をなしている。
The light that has passed through the
なお、図1では、上記被測定物9の反射面上の同一スポットに第1および第2光束5,6を照射する手段としてOL8を用いるが、例えばミラー等を用いてもよい。 In FIG. 1, OL8 is used as means for irradiating the first and second light fluxes 5 and 6 to the same spot on the reflection surface of the object 9 to be measured. However, for example, a mirror or the like may be used.
上記被測定物9に照射された両光束5,6は、上記被測定物9の隣り合う2つの反射面で略同じ方向に正反射する。上記正反射する方向は、上記2等辺3角形の底辺と略垂直の方向である。これにより、上記両光束5,6により干渉が生じる。この干渉光(干渉信号)は、OL8を通過した後、受光素子10によって電気信号に変換される。この電気信号が、図示しない信号処理回路部で処理されて、上記被測定物9の速度が算出される。
The two
図2は、本実施形態の光学系および被測定物9を備えるLDVにおいて測定される波形の一例である。図2において、横軸は時間であり、縦軸は受光素子10の出力である。本実施形態では、反射光のうちの正反射光成分を受光するので、図12の従来のLDVのような略均一の反射面に照射して拡散光を受光する場合に比べて、波面の乱れがほとんど無い。従来のLDVで受光していた拡散光は、反射面の凹凸による光路長差に起因した光の位相差が生じる。光を無限に細い光束の集合体と考えると、各光束の一本一本はそれぞれ異なる位相を有すると考えられる。これらの光束の集合体は、上記式1のEAやφAが異なる無限の級数和として考えることができるため、例えば、第1光束5による反射光を第1反射光とすると、この第1反射光は、下記の式21のように表すことができる。
同様に、第2光束6の反射光を第2反射光とすると、この第2反射光は、下記の式22のように表すことができる。
したがって、上記第1および第2反射光による干渉(ビート)信号は、下記の式23のように表される。
Therefore, the interference (beat) signal due to the first and second reflected lights is expressed by the following Expression 23.
上記式23を展開すると、上記式3のビート信号のm×n個の和になる。これらは、結果的に一つの三角関数で表されるように合成することができる。しかし、上記被測定物9は移動しているため、各光束に対して反射点は時々刻々と変化するので、表面反射率が時間的に変化する。したがって、振幅を表す係数EAやEBも時間的に変化し、さらに、反射面の凹凸により、各光束の位相を表すφmやψnも時間的に変化する。したがって、上記式23は、下記の式24のように書き換えることができる。
When Expression 23 is expanded, it becomes m × n sums of the beat signals of
このように変化する干渉光に関して、従来のLDVにおいては、振幅と位相が時間的に変化するので、被測定物9の表面形状が、光束の和であるE(t)が殆ど零になる条件を満たすときに、図12に示した波形のように、ドロップアウト状態に陥ってしまう。その結果、従来のLDVは速度検出が不可能となる。 With respect to the interference light changing in this way, in the conventional LDV, the amplitude and phase change with time, so that the surface shape of the object to be measured 9 is such that E (t), which is the sum of the luminous fluxes, is almost zero. When the condition is satisfied, a dropout state occurs as in the waveform shown in FIG. As a result, the conventional LDV cannot detect the speed.
これに対して、本実施形態のLDVでは、被測定物9の反射面は、入射光束の入射角に対応する角度を有し、さらに、上記反射面の表面は凹凸の少ない平滑面である。したがって、上記反射面で反射した反射光束は、殆ど位相を乱すことなく正反射光として所定方向(本実施形態では2等辺3角形の底辺の直角方向)に反射する。上記反射光束は、上記式21および22において、位相項であるφmとψnは、全て一定の値となる。位相が一定の値であれば、上記被測定物9の表面の反射率にムラがあり、被測定物9が移動し、あるいは、上記式21および22の振幅の係数が時間的に変化しても、理論的に振幅がゼロになることはない。図2の実験結果が得られたLDVでは、被測定物9の反射面の表面を均一に形成したので、振幅の係数も時間的に殆ど変化しない。したがって、時間的に振幅の変化が殆ど無いビート信号が得られる。 On the other hand, in the LDV of the present embodiment, the reflection surface of the DUT 9 has an angle corresponding to the incident angle of the incident light beam, and the reflection surface is a smooth surface with few irregularities. Therefore, the reflected light beam reflected by the reflecting surface is reflected in a predetermined direction (in the present embodiment, the direction perpendicular to the base of the isosceles triangle) with almost no disturbance in phase. In the reflected light beam, the phase terms φm and ψn all have constant values in the above formulas 21 and 22. If the phase is a constant value, the reflectance of the surface of the object to be measured 9 is uneven, the object to be measured 9 moves, or the amplitude coefficients of the equations 21 and 22 change over time. However, the amplitude never theoretically becomes zero. In the LDV from which the experimental result of FIG. 2 is obtained, the surface of the reflection surface of the DUT 9 is uniformly formed, so that the amplitude coefficient hardly changes with time. Therefore, a beat signal with almost no change in amplitude over time can be obtained.
このように、被測定物9の表面に傾斜角度を設け、この角度に対応して光束を入射させることにより、ドロップアウトを防ぐことができるので、LDVの信号を1パルス毎に高精度に検出することができる。また、被測定物9の反射面の形状は、移動方向に対して測定範囲内で周期的に連続しているので、安定した信号を連続して測定することができる。 In this way, since an inclination angle is provided on the surface of the object to be measured 9 and a light beam is incident in accordance with this angle, dropout can be prevented, so that an LDV signal can be detected with high accuracy for each pulse. can do. In addition, since the shape of the reflection surface of the DUT 9 is periodically continuous within the measurement range with respect to the moving direction, a stable signal can be continuously measured.
図1では、上記被測定物9の反射面の形状は、低角の大きさがθである二等辺三角形の2等辺を連続して連ねたような周期構造にしている。これに対応して、第1および第2光束5,6の入射角を、2θにしている。このとき、上記式13で示したように、速度を算出するときに必要となるパラメータのうち、反射面の角度や入射角のパラメータを一つ省くことができる。したがって、信号処理回路部を簡略化することが可能となる。
In FIG. 1, the shape of the reflecting surface of the DUT 9 is a periodic structure in which isosceles triangles having a low angle of θ are continuously connected to form isosceles sides. Correspondingly, the incident angle of the first and second
さらに、上記第1および第2光束5,6は、反射面への入射角を対称に設定すればよい。したがって、レンズを用いて上記第1および第2光束5,6を被測定物9上で重ね合わせる場合、通常のレンズ8を用いて、このレンズ8に第1および第2光束5,6を平行に入射させればよい。また、レンズを用いずに、例えばミラー等によって両光束5,6の進行方向を変えて被測定物9上で重ね合わせる場合、上記被測定物113に対して同じ角度でミラーを傾けて設置すればよいので、装置構成を簡略化することができる。
Furthermore, the incident angles of the first and second
また、上記反射面への入射光の波長をλとし、被測定物9の反射面における凹凸の段差をdとすると、d<λの関係を満たすことによって、上記反射面での上記光の反射を鏡面反射にすることができる。ここで、上記第1および第2光束5,6の位相が揃っているので、上記式3の(φA−φB)の値は時間的に変化せず、その結果、安定した強度の信号を得ることができる。このような被測定物9の反射面は、上記2等辺3角形状の構造を有する光学ミラーや、Siウェハ等で形成できる。特に、Siウェハは、その面方位を利用して異方性エッチングを行うことにより、断面V字形状を有して互いに所定角度を有する反射面を、正確に形成することができる。
Further, when the wavelength of the incident light on the reflecting surface is λ and the uneven step on the reflecting surface of the DUT 9 is d, the light reflection on the reflecting surface is satisfied by satisfying the relationship of d <λ. Can be specularly reflected. Here, since the phases of the first and second
また、図1のように、被測定物9の反射面が断面においてなす2等辺3角形に関して、底辺の長さを2Lとするとき、入射する第1および第2光束5,6によって被測定物9上に形成されるビームスポット径の大きさは、Lより大きくなるように設定している。特に、上記ビームスポット径は、2Lが好適である。ビームスポット径をLより大きくすることによって、図1における右上がりの反射面と、右下がりの反射面との両方から、常に、互いに等しい光量の反射光を得ることができる(スポット径がLより小さいと、一方の光束のみしか反射しない時間帯が生じる)。したがって、安定して干渉信号を得ることができる。特に、ビームスポットが2Lのときには、常に、第1光束の反射光量と、第2光束の反射光量とが等しくなるので、S/Nの良い干渉信号を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 1, with respect to the isosceles triangle formed by the reflecting surface of the object to be measured 9 in the cross section, when the base length is 2L, the object to be measured is caused by the incident first and second
また、図3に示すように、被測定物9の反射面がなす2等辺3角形の低角θが30°であり、第1および第2光束5,6の入射角が、上記2等辺3角形の底辺の直角方向に対して60°であるとき、上記入射光束5,6は全て垂直に正反射する。したがって、上記被測定物9に入射する光のエネルギーをすべて干渉信号に変えることができるので、所定の強度の信号を得るために必要なレーザの光量を低減でき、LDV装置の低消費電力化を図ることができる。上記2等辺3角形の底角が30°よりも小さくなると、第1光束5が図3において右下がりの反射面に入射した成分は垂直に反射する一方、右上がりの斜面に入射した成分が出射角3θで反射するため、干渉信号に寄与しなくなる。第2光束6についても同様に、図3において右上がりの反射面に入射した成分は垂直方向に反射するが、右下がりの反射面に入射した成分は出射角3θで反射して、干渉信号の生成に寄与しなくなる。
Further, as shown in FIG. 3, the low angle θ of the isosceles triangle formed by the reflecting surface of the DUT 9 is 30 °, and the incident angles of the first and second
また、上記第1実施形態において、第1光束5と第2光束6の光量を等しくすることにより、上記式3から明らかなように、S/N比を最大にできる。上記受光素子10で検出される干渉信号のうち、上記式3において、第1項はDCノイズ成分であり、第2項はAC信号成分であるが、AC/DCの値が最大になるのはEA=EBのときであり、上記第1光束5と第2光束6の光量が等しいときである。
Further, in the first embodiment, the S / N ratio can be maximized as apparent from
以上の説明は、上記光束5,6の入射角や被測定物9の反射面の角度が正確に設定されたことが条件である。しかしながら、実際に光学系を組み、被測定物9に反射面を作製した場合、上記光束5,6の入射角や被測定物9の反射面の角度は、設計値に対して多少のズレが生じる。
The above description is based on the condition that the incident angles of the
例えば、図4Aに示すように、両光束5,6の入射角が2θであり、被測定物9の反射面の形状が、この反射面が断面においてθ‘の底角を有する二等辺三角形である場合について説明する。このとき、図4Aに示すように反射面に入射した両光束5,6は、上記2等辺3角形の底辺に対して直角に反射しないで、斜面の角度θ’に対応した方向にズレを生じて反射する。その結果、上記第1および第2光束5,6の反射光は、互いに重なり合う部分と、重なり合わない部分とが生じる。図4Aには、受光素子10に関して被測定物9と反対側に、上記受光素子10の受光面を含む平面における反射光の形状を示している。破線が第1光束5の反射光の輪郭であり、実線が第2光束6の反射光の輪郭である。網掛けを付した領域10sが、受光素子10の受光領域に相当する領域である。図4Aに示すように、受光素子10は、両反射光束が重なり合う部分と、重なり合わない部分とを同時に受光することになり、上記重なり合わない部分の光束は光の干渉が無い。したがって、上記受光素子10で光電変換された出力信号では、上記干渉が無い部分の光によるDC成分が生じてノイズが生じることになる。
For example, as shown in FIG. 4A, the incident angle of both
これに対して、図4Bに示すように、被測定物9と受光素子10との間の適切な位置にピンホール11を設置することにより、図4Bにおいて受光素子10に関して被測定物9の反対側に図示するように、両反射光束が重なり合う部分のみを受光素子10に入射させることができる。その結果、受光素子10からのDCノイズ成分を除去できるので、第1および第2光束5,6の入射角および反射面の傾斜角度に誤差がある場合でも、S/Nの良い信号を得ることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, by installing a
図5は、第1光束5が被測定物9で反射する際の光線の軌跡を示した図である。第1光束5は、ビーム径5dを有して被測定物9の反射面に入射する。この被測定物9の反射面の断面は、図5において2等辺3角形を2つ連ねたような形状を有する。この2つの2等辺3角形のうちの図5において右側の2等辺3角形に関して、右下がりの辺に相当する第1斜面9aの一部と、左下がりの辺に相当する第2斜面9bの全部に上記第1光束5が入射する。さらに、図5において左側の2等辺3角形に関して、上記第2斜面9bに連なる斜面であって、右下がりの辺に相当する第3斜面9cの一部に、上記第1光束5が入射する。以下、上記第1光束5のうち、上記第1斜面9aに入射する光束の部分を第1光束部5aといい、上記第3斜面9cに入射する光束の部分を第2光束部5bという。
FIG. 5 is a diagram showing a locus of light rays when the
図5に示すように、上記第1光束部5aが上記第1斜面9aにおいて入射する範囲は、点Eと点Aとの間であり、上記第2光束部5bが上記第3斜面9cにおいて入射する範囲は、点Bと点Fとの間である。点Cは、上記第1光束部5aが第1斜面9aで反射するときの等波面を、上記第2光束部に向かって延ばした線と、上記第2光束部5bの上記第1光束部5a側の境界線との交点である。点Dは、第3斜面9cの端である点Bで反射した第2光束部5bが、反射面の2等辺3角形の頂点の高さに達する点である。
As shown in FIG. 5, the range in which the first
上記被測定物9の反射面に入射した第1光束5のうち、第1斜面9aおよび第3斜面9cで反射した第1光束部5aおよび第3光束部5cは、上記2等辺3角形の底面に対して直角方向に反射する。第1光束部5aおよび第2光束部5bは、それぞれ異なる位相φI、φIIを有して進行する反射光となっている。これらの位相差φI−φIIは、第1光束部5aと第2光束部5bの光路差に対応しており、CB+BDの距離に相当する。この距離dは、下記の式25のように、2等辺3角形の底辺の長さLおよび底角θとで表される。
Of the
したがって、第1光束部5aと第2光束部5bの反射光は、下記の式26および27のように表される。
Therefore, the reflected light of the first
ここで、A,Bは第1光束部5aと第2光束部5bの光強度であり、ω0は光の各周波数であり、ωdは移動する被測定物9で反射することによるドップラー周波数偏移である。
Here, A and B are the light intensities of the first
第1光束5の第1光束部5aと第2光束部5bは、干渉により、位相差に応じて強め合うまたは弱め合うことになるが、両光束の位相差が、下記の式28の条件を満たす場合、第1光束部5aと第2光束部5bとが弱め合うことは無い。
ここで、nは自然数である。
The first
Here, n is a natural number.
したがって、上記式28を満たす場合、確実に安定したLDVの干渉信号を得ることができる。
Therefore, when the
以上、第1光束5について説明したが、第2光束6についても同様である。また、A=Bであって、6π/λ・Ltanθ=πのとき、両光束5,6は打ち消しあって完全に消滅してしまう。このような状態を避けることにより、すなわち、反射面の形状を決定するLおよびθと、LD1の発光波長のλとを、6π/λ・Ltanθ=πが成立しないように設定することにより、干渉信号が検出不能になることは無い。
The
本実施形態における移動情報検出装置としてのLDVは、被測定物9の速度を検出するものであるが、信号処理の段階において、時間情報を取り込むことによって速度情報から容易に変位量を得ることができる。これにより、例えば、一般に普及している電子機器においては、プリンターやコピー機の紙送り量を検出するエンコーダを構成することができる。特に、LDVの干渉縞間隔は一般に数μmレベルであるため、変位計としてμmレベルの分解能を得ることができ、信号処理により、さらにサブミクロンまで分解能を上げることができる。さらに、被測定物9に、図6に示すように、断面における右上がり斜面9eと、右下がり斜面9fとが環状に交互に配置された反射面を形成する。これにより、上記被測定物9の回転速度および位置を高精度に検出可能なエンコーダを形成することができる。
The LDV as the movement information detecting device in the present embodiment detects the speed of the object 9 to be measured. However, in the signal processing stage, it is possible to easily obtain the displacement amount from the speed information by capturing the time information. it can. Thereby, for example, in an electronic device that is widely used, an encoder that detects the paper feed amount of a printer or a copier can be configured. Particularly, since the LDV interference fringe interval is generally several μm level, a resolution of μm level can be obtained as a displacement meter, and the resolution can be further increased to submicron by signal processing. Furthermore, as shown in FIG. 6, a reflection surface is formed on the object 9 to be measured, in which a rising
(第2実施形態)
図7は、本発明の第2実施形態の光学式移動情報検出装置としてのドップラー速度計(LDV)を示す概略構成図である。図7では、光学部品の主要な部品および光線の軌跡のみを図示し、光学部品を保持する部品等は省略している。また、図7において、第1実施形態の構成部分と同一の部分には、第1実施形態で用いた参照番号と同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。また、図中にx、y、z軸の各座標軸が示してあるが、これは座標軸の一例であり、レンズ等の構成部分の向きや、レーザ光の偏光方向を限定するものではない。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a Doppler velocimeter (LDV) as an optical movement information detecting device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, only the main components of the optical component and the locus of the light beam are shown, and components that hold the optical component are omitted. In FIG. 7, the same reference numerals as those used in the first embodiment are attached to the same parts as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted. In addition, although the coordinate axes of the x, y, and z axes are shown in the drawing, this is an example of coordinate axes, and does not limit the orientation of components such as a lens or the polarization direction of laser light.
本実施形態のLDVでは、LD1からz軸方向に出射した光は、CL2および絞り3によって円形コリメート光に変換される。そして、第1光分岐素子としてのBS4aによって、z軸方向に直進する第1光束5aと、反射されてy軸方向に進む第2光束5bとに分割される。上記BS4aを通過した第1光束5aは、その後、第2光分岐素子としてのBS4bによって、z軸方向に直進する第3光束6aと、反射されてx軸方向に進む第4光束6bとに分割される。この第4光束6bは、第1ミラー17aによって進行方向がx軸方向からz軸方向に変換される。
In the LDV of the present embodiment, light emitted from the
また、上記BS4aで反射された第2光束5bは、第3光分岐素子としてのBS4cによって、y軸方向に直進する第5光束7aと、反射されてz軸方向に進む第6光束7bとに分割される。上記BS4cを通過した第5光束7aは、第2ミラー17bによって進行方向がy軸方向からz軸方向に変換される。これにより、上記第3乃至第6光束6a,6b,7a,7bは、全てz軸に平行となる。上記第3光束6aと第4光束6bは第1OL8aに入射する一方、上記第5光束7aと第6光束7bは第2OL8bに入射する。両レンズ8a,8bを通過した各光束は、レンズの焦点距離に置かれた被測定物9上の異なる点に、それぞれビームスポットを形成する。図7の破線の円形領域内に示した拡大模式図のように、上記被測定物9の表面には、四角柱形状の側面を有する突起が、xy平面内に連続して繰返して配置されたような形状の反射面が形成されている。これにより、xz平面に平行な面に沿って入射する第3光束6aと第4光束6bは、それぞれ+x方向と−x方向から入射して、被測定物9の−x方向と+x方向を向いた反射面によって、z軸方向に正反射する。この正反射光は、干渉が生じて干渉信号12aとなって第1受光素子10aに検出される。
The second
また、yz平面に平行な面に沿って入射する上記第5光束7aと第6光束7bは、それぞれ+y方向と−y方向から入射し、被測定物9の−y方向と+y方向を向いた反射面によって、z軸方向に正反射する。この正反射光は、干渉が生じて干渉信号12bとなって第2受光素子10bに検出される。
Further, the fifth
以上のように、第2実施形態のLDVでは、第1受光素子10aで検出される干渉信号12aから被測定物9のx軸方向の速度を求めることができると共に、第2受光素子10bで検出される干渉信号12bから被測定物9のy軸方向の速度を求めることができる。したがって、被測定物9の2次元の移動情報を検出することができる。
As described above, in the LDV of the second embodiment, the speed in the x-axis direction of the DUT 9 can be obtained from the
図8は、第2実施形態の光学式移動情報検出装置の変形例としてのドップラー速度計(LDV)の概略構成図である。図8では、光学部品の主要な部品と光線の軌跡のみを図示して、光学部品を保持する部品等は省略している。また、図8において、図7のLDVの構成部分と同一の構成部分には、図7における参照番号と同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。 FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a Doppler velocimeter (LDV) as a modification of the optical movement information detection device of the second embodiment. In FIG. 8, only the main components of the optical component and the locus of the light beam are shown, and the components for holding the optical component are omitted. In FIG. 8, the same components as those of the LDV of FIG. 7 are denoted by the same reference numerals as those of FIG. 7, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態では、光学系は図7のLDVと同様であるが、被測定物9の反射面が、図8に模式的に示すように、四角柱形状の側面を有する複数の窪みで形成されている点が、図7のLDVと異なる。上記複数の窪みで形成された反射面により、図7のLDVと同様に、2次元の移動情報を検出することができる。 In this embodiment, the optical system is the same as that of the LDV in FIG. 7, but the reflection surface of the DUT 9 is formed by a plurality of depressions having quadrangular prism side surfaces as schematically shown in FIG. 8. This is different from the LDV of FIG. Two-dimensional movement information can be detected by the reflection surface formed by the plurality of depressions, as in the LDV of FIG.
上記第2実施形態およびその変形例において、x軸方向の移動情報を検出する干渉信号12aと、y軸方向の移動情報を検出する干渉信号12bを、例えばレンズや回折格子などを用いて集光することにより、第1受光素子10aおよび第2受光素子10bを同一半導体基板上に形成することができる。これにより、LDVを小型化できるとともに、低コスト化することができる。
In the second embodiment and the modification thereof, the
さらに、上記各実施形態において、受光素子10と、この受光素子10で検出された信号を処理する信号処理回路部(図示せず)とを、同一の半導体基板上に形成することにより、部品点数を削減でき、LDVの小型化や低コスト化をすることができる。
Further, in each of the above embodiments, the number of components is increased by forming the
なお、上記各実施形態のLDVは、被測定物9の移動速度を検出するものであるが、信号処理回路による信号処理において、時間情報を取り込むことによって、速度情報から容易に変位を算出することができる。特に、本発明によるLDVは、ドロップアウトによる信号不感状態を防ぐことができるので、パルスカウント等により1パルス毎の移動情報を測定することができる。したがって、非常に高精度に被測定物9の移動情報を検出することができる。上記LDVの干渉縞間隔は数μmであるので、変位計としての分解能をμmレベルにすることができ、また、信号処理によりサブミクロンレベルまで分解能を上げることが可能である。したがって、高分解能エンコーダとして最適である。 In addition, although LDV of each said embodiment detects the moving speed of the to-be-measured object 9, it calculates a displacement easily from speed information by taking in time information in the signal processing by a signal processing circuit. Can do. In particular, since the LDV according to the present invention can prevent a signal insensitive state due to dropout, movement information for each pulse can be measured by a pulse count or the like. Therefore, the movement information of the object 9 to be measured can be detected with very high accuracy. Since the LDV interference fringe spacing is several μm, the resolution as a displacement meter can be set to the μm level, and the resolution can be increased to the submicron level by signal processing. Therefore, it is optimal as a high resolution encoder.
上記各実施形態において、例示により光学系を説明したが、全ての実施形態において、光学系は上述のものに限られるものではなく、同様の効果が得られる光学系であればどのようなものでもよい。 In each of the above embodiments, the optical system has been described by way of example. However, in all the embodiments, the optical system is not limited to the above-described one, and any optical system can be used as long as the same effect can be obtained. Good.
1 半導体レーザ
2 コリメータレンズ
3 絞り
4 ビームスプリッタ
5 第1光束
6 第2光束
8 集光レンズ
9 被測定物
10 受光素子
11 ピンホール
12 干渉信号
DESCRIPTION OF
Claims (23)
上記半導体発光素子から出射した光を、第1光束と第2光束とに分割する光分岐素子と、
上記第1光束と第2光束を、互いに略同じ方向に反射させる少なくとも2つの反射面を有する被測定物と、
上記第1光束と第2光束を、上記反射面上に導く第1光学系と、
上記第1光束の反射光と第2光束の反射光とで得られる干渉光を受ける受光素子と、
上記第1光束の反射光と、上記第2光束の反射光とを上記受光素子に導く第2光学系と、
上記受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路と
を備えることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 A semiconductor light emitting device that emits coherent light;
A light branching element that splits the light emitted from the semiconductor light emitting element into a first light flux and a second light flux;
An object to be measured having at least two reflecting surfaces for reflecting the first luminous flux and the second luminous flux in substantially the same direction;
A first optical system for guiding the first and second light fluxes onto the reflecting surface;
A light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the first light flux and the reflected light of the second light flux;
A second optical system for guiding the reflected light of the first light flux and the reflected light of the second light flux to the light receiving element;
An optical movement information detection apparatus comprising: a signal processing circuit that processes a signal from the light receiving element and calculates a movement speed of the object to be measured.
上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第1光束の入射角が2αであり、上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第2光束の入射角が2βであるとき、
上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に対してαとβの角度を各々有する少なくとも2つの反射面であることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
When the incident angle of the first light beam with respect to the direction perpendicular to the moving direction of the object to be measured is 2α, and the incident angle of the second light beam with respect to the direction perpendicular to the moving direction of the object to be measured is 2β,
The optical movement information detection device according to claim 1, wherein the reflection surface of the object to be measured is at least two reflection surfaces each having an angle of α and β with respect to the moving direction of the object to be measured.
上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に向かって周期的に変化する形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
The optical movement information detection device according to claim 1, wherein the reflection surface of the object to be measured has a shape that periodically changes in a moving direction of the object to be measured.
上記αとβが互いに略同じであり、隣り合う2つの上記反射面が、上記被測定物の移動方向の断面において、2等辺3角形の互いに等しい2つの辺に相当する形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 2,
Α and β are substantially the same as each other, and two adjacent reflecting surfaces have shapes corresponding to two equal sides of an isosceles triangle in a cross section in the moving direction of the object to be measured. An optical movement information detecting device.
上記被測定物の反射面は、上記半導体発光素子の出射光の波長よりも小さい範囲で起伏する凹凸を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
The optical movement information detection apparatus according to claim 1, wherein the reflection surface of the object to be measured has irregularities that undulate in a range smaller than the wavelength of the emitted light of the semiconductor light emitting element.
上記被測定物の反射面は、光学ミラーであることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 5,
An optical movement information detecting device, wherein the reflection surface of the object to be measured is an optical mirror.
上記第1および第2光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記2等辺3角形の底辺の長さの1/2よりも大きい照射寸法を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 4,
The optical system characterized in that the first and second light fluxes have an irradiation dimension on the reflecting surface of the object to be measured that is larger than ½ of the length of the base of the isosceles triangle on the reflecting surface. Movement information detection device.
上記第1および第2の光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記2等辺3角形の底辺の長さと略等しい照射寸法を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 7,
The optical movement information detecting device characterized in that the first and second light fluxes have an irradiation dimension on the reflecting surface of the object to be measured that is substantially equal to the length of the base of the isosceles triangle on the reflecting surface. .
上記2等辺3角形の底角が30°であることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 4,
An optical movement information detecting device characterized in that a base angle of the isosceles triangle is 30 °.
上記被測定物の反射面と、上記受光素子との間に、上記第1および第2光束の反射光を通過させるピンホールを備えることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
An optical movement information detecting apparatus comprising a pinhole for allowing the reflected light of the first and second light beams to pass between a reflection surface of the object to be measured and the light receiving element.
上記第1および第2の光束は、光量が互いに略等しいことを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
The optical movement information detecting apparatus according to claim 1, wherein the first and second light beams have substantially the same light amount.
上記第1および第2光束の反射光を、下記の式1および2で表す場合、上記第1および第2光束の反射光に関して、下記の式3の関係が成立することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
A・cos((w0−wd)t)・・・(1)
B・cos((w0−wd)t−6π/λ・Ltanθ)・・・(2)
−2/3π+2(n−1)π<6π/λ・Ltanθ<2/3π+2(n−1)π・・・(3)
ここにおいて、Aは上記第1光束の光強度、Bは上記第2光束の光強度、w0は上記半導体発光素子からの光の周波数、wdはドップラー周波数偏位、tは時間、λは上記半導体発光素子からの光の波長、Lは上記被測定物の反射面の上記2等辺3角形の底辺の長さの1/2、θは上記2等辺3角形の底角、nは自然数である。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
When the reflected light of the first and second light beams is expressed by the following formulas 1 and 2, the relationship of the following formula 3 is established with respect to the reflected light of the first and second light beams. Movement information detection device.
A · cos ((w 0 −w d ) t) (1)
B · cos ((w 0 −w d ) t−6π / λ · Ltanθ) (2)
−2 / 3π + 2 (n−1) π <6π / λ · Ltanθ <2 / 3π + 2 (n−1) π (3)
Here, A is the light intensity of the first light beam, B is the light intensity of the second light beam, w 0 is the frequency of the light from the semiconductor light emitting element, w d is the Doppler frequency deviation, t is the time, and λ is The wavelength of light from the semiconductor light emitting element, L is ½ the length of the base of the isosceles triangle of the reflecting surface of the object to be measured, θ is the base angle of the isosceles triangle, and n is a natural number. is there.
上記第1および第2光束の反射光に関して、下記の式4および5の関係が成立することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
A≠B・・・(4)
3L/λ・tanθ<(2m−1)・・・(5)
ここにおいて、mは自然数である。 In the optical movement information detection device according to claim 12,
An optical movement information detecting device characterized in that the following expressions 4 and 5 are satisfied with respect to the reflected light of the first and second light beams.
A ≠ B (4)
3L / λ · tan θ <(2m−1) (5)
Here, m is a natural number.
上記反射面は、上記被測定物に円環状に配置されていることを特徴とするエンコーダ。 The encoder according to claim 14,
The encoder is characterized in that the reflecting surface is arranged in an annular shape on the object to be measured.
上記被測定物はSiウェハで形成され、上記被測定物の反射面は異方性エッチングで形成されていることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
An optical movement information detecting apparatus, wherein the object to be measured is formed of a Si wafer, and a reflection surface of the object to be measured is formed by anisotropic etching.
上記半導体発光素子から出射した光を、第1光束と第2光束とに分割する第1光分岐素子と、
上記第1光束を、第3および第4光束に分割する第2光分岐素子と、
上記第2光束を、第5および第6光束に分割する第3光分岐素子と、
上記第3および第4光束を互いに略同じ方向に反射させると共に、上記第5および第6光束を互いに略同じ方向に反射させる少なくとも4つの反射面を有する被測定物と、
上記第3および第4光束を、上記反射面上の第1の位置に導く第1光学系と、
上記第5および第6光束を、上記反射面上の第2の位置に導く第2光学系と、
上記第3光束の反射光と第4光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第1受光素子と、
上記第5光束の反射光と第6光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第2受光素子と、
上記第3光束の反射光と、上記第4光束の反射光とを上記第1受光素子に導く第3光学系と、
上記第5光束の反射光と、上記第6光束の反射光とを上記第2受光素子に導く第4光学系と、
上記第1および第2受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路と
を備えることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 A semiconductor light emitting device that emits coherent light;
A first light branching element that splits light emitted from the semiconductor light emitting element into a first light flux and a second light flux;
A second optical branching element that splits the first luminous flux into third and fourth luminous fluxes;
A third light branching element that splits the second light flux into fifth and sixth light fluxes;
An object to be measured having at least four reflecting surfaces for reflecting the third and fourth light beams in substantially the same direction and reflecting the fifth and sixth light beams in substantially the same direction;
A first optical system for guiding the third and fourth light fluxes to a first position on the reflecting surface;
A second optical system for guiding the fifth and sixth light beams to a second position on the reflecting surface;
A first light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the third light beam and the reflected light of the fourth light beam;
A second light receiving element that receives interference light obtained by the reflected light of the fifth light beam and the reflected light of the sixth light beam;
A third optical system for guiding the reflected light of the third light flux and the reflected light of the fourth light flux to the first light receiving element;
A fourth optical system for guiding the reflected light of the fifth light flux and the reflected light of the sixth light flux to the second light receiving element;
An optical movement information detection apparatus comprising: a signal processing circuit that processes signals from the first and second light receiving elements to calculate a movement speed of the object to be measured.
上記被測定物の反射面は、4角柱形状の側面を有する突起が周期的に配置された形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 The optical movement information detection device according to claim 17,
2. The optical movement information detecting apparatus according to claim 1, wherein the reflection surface of the object to be measured has a shape in which protrusions having quadrangular prism-shaped side surfaces are periodically arranged.
上記被測定物の反射面は、4角柱形状の側面を有する窪みが周期的に配置された形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 The optical movement information detection device according to claim 17,
The optical movement information detection apparatus according to claim 1, wherein the reflection surface of the object to be measured has a shape in which depressions having a quadrangular prism-shaped side surface are periodically arranged.
上記第1および第2受光素子は、同一基板上に形成されていることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 The optical movement information detection device according to claim 17,
The optical movement information detecting apparatus, wherein the first and second light receiving elements are formed on the same substrate.
上記受光素子と信号処理回路は、同一基板上に形成されていることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 In the optical movement information detection device according to claim 1,
The optical movement information detecting apparatus, wherein the light receiving element and the signal processing circuit are formed on the same substrate.
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JP2011527435A (en) * | 2008-07-07 | 2011-10-27 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Laser self-mixing measuring device |
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-
2004
- 2004-07-14 JP JP2004207301A patent/JP2006029912A/en active Pending
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