JP5517753B2 - 干渉計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、干渉測長器や干渉型エンコーダ等の干渉計測装置に関する。

従来の回折干渉型ロータリーエンコーダは、ヘッド部とディスク部との間隔、半径方向の位置ずらし、ヘッドの傾き等の複数の調整機構を備えた機械部材に搭載して、干渉縞の状態を画像で確認し、所謂「ワンカラー状態」に追い込む調整を必要とする。以下、本明細書中において、「ワンカラー状態」とは、干渉光の受光部において、明暗の位相が全面一様な状態と定義する。例えば理想的な平面波同士の干渉は、２光束の主光線の角度差が０°の場合に相当し、球面波同士の干渉は、２光束の仮想点光源が空間上で一致する場合に相当し、何らかの歪を有した波面同士の干渉は、２光束の波面が完全に重なる状態に相当する。また、「ワンカラー度」とは、受光面上の干渉縞の（小数点以下を含む）本数で定義し、完全なワンカラー状態では０本と定義する。また、受光部に対して光束のサイズが小さい場合は、その光束のサイズに対してワンカラー度を適用することにする。またワンカラー度を受光面における２つの座標軸Ｖ、Ｈに対してそれぞれ定義することにする。例えば「Ｖ軸方位のワンカラー度」、「Ｈ軸方位のワンカラー度」と呼ぶことにする。

ヘッドとディスクが分離されたモジュール型エンコーダをユーザが装置に組み込むときはエンコーダ内部の情報である干渉縞画像を取得することはできない。そのため一般的には、エンコーダヘッドから出力される周期信号の振幅のみを手がかりに振幅が最大になるように取り付け姿勢を調整することが行われている。このことは回折干渉型エンコーダに限らず一般的な幾何光学式モジュール型エンコーダでも同じである。例えば、特許文献１に、周期信号の振幅により組み込み状態の良否の情報を出すことで、ユーザがより好ましい状態を探せるようにする技術が開示されている。

特開平５−１３３７３２号公報

しかし、従来技術では、干渉計測装置の調整手法は定型化されておらず最良の状態に調整するには組み込み者の勘や経験を必要としていた。例えばどの調整箇所をどの程度調整するかは不明なので、実際にやってみて信号の増減を判定し、より望ましい信号の状態になる位置を探し続けるようなものである。特に干渉測長装置や高精度な回折干渉型エンコーダの場合に、理想的なワンカラー状態まで調整する必要があるものの、その調整は、組み込み者のスキルに頼っていた。そこで、本発明は、調整の容易な干渉計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源から射出された光束を分割し、分割された光束を被検物を介して重ね合わせることによって生成された干渉光を計測する干渉計測装置であって、複数の部分領域を有する受光領域を備え、前記複数の部分領域のそれぞれで前記干渉光を受光する受光部と、前記複数の部分領域のそれぞれでの受光結果に基づいて、前記受光領域における前記干渉光の位相分布の均一性を示す指標を求める処理部と、を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、調整の容易な干渉計測装置を提供することができる。

第１実施形態におけるワンカラー度表示機能を有したエンコーダのヘッド部の構成を示した図である。 第１実施形態におけるエンコーダの受光素子上の干渉縞を示した図である。 第１実施形態におけるエンコーダの受光素子上の干渉縞の明暗分布がディスクの回転に伴って変化する様子を示した図である。 第１実施形態におけるエンコーダのワンカラー度の演算・表示機能の信号処理フローを示した図である。 第１実施形態におけるエンコーダの４分割受光素子からの出力波形を示した図である。 第２実施形態におけるエンコーダのワンカラー度の演算・表示機能の信号処理フローを示した図である。 第２実施形態におけるエンコーダの４分割受光素子からのリサージュ波形を示した図である。 第３実施形態におけるエンコーダのワンカラー度の演算・表示機能の信号処理フローを示した図である。

以下に、本発明の第１〜第３実施形態の干渉計測装置を添付の図面に基づいて詳細に説明する。第１〜第３実施形態に示される干渉計測装置は、角度変化を計測する回折干渉型のロータリーエンコーダである。しかし、本発明の干渉計測装置は、光源から射出された光を２つの光束に分割し該２つの光束を重ね合わせることによって生成された干渉光の強度の変動を観測することによって被検物の変位を計測するものであれば、他のタイプのものでもよい。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態の回折干渉型ロータリーエンコーダのヘッド部およびディスク部の構成図である。図１に示すように、レーザ光源ＬＤから光ファイバーＦＢＲを経由して光束を発散光として射出する。射出された光束は、コリメータレンズＣＯＬにて平行光にされてから回折格子ＧＴ１にて±１次回折光の２つの光束に分割される。偏光素子ＰＯＬＰ，ＰＯＬＳは、＋１次光をＰ偏光、−１次光をＳ偏光に変換する。Ｐ偏光およびＳ偏光は、平行ミラーＭ１、Ｍ２をそれぞれ経由して、相対回転ディスクＤＳＫ上の放射状回折格子ＧＴ２に斜めに照明される。回折格子ＧＴ１と放射状回折格子ＧＴ２のピッチが等しくなる位置に照明することで、回折格子ＧＴ２から射出する±１次回折光は、その光路を同軸に重ね合わせられて、垂直に射出される。これら２光束は、互いに偏光面を直交させる直線偏光と成っているので、１／４波長板ＱＷＰを透過し、さらに回折格子ＧＴ３により０次、＋１次、−１次の３光束に分割される。分割された３光束は、更に０度、＋６０度、−６０度方位に偏光透過軸を有する３チャンネル偏光板アレイＰＯＬＡを透過させることで、干渉位相が互いに１２０°ずつずれた３相信号光が３つの受光部（受光素子）に照射される。この光学系自体は、格子干渉計として公知であるが、この光学系で扱われる受光部へ入射される干渉光は所謂ワンカラー状態を前提にしている。すなわち受光部の受光面上で光束を観測したとき、回折格子ＧＴ２が移動するに従って、全面一様に干渉位相（明暗）がずれることを想定している。しかし、実際にこうしたエンコーダ光学系を構成すると、平行ミラーＭ１の角度ずれや、回折格子ＧＴ１と回折格子ＧＴ２のピッチの不一致、平行光束のコリメート性の誤差等の影響で図２のように明暗分布が生じることがある。この明暗分布は、これら誤差が大きければ明瞭な干渉縞として観測できるが、誤差が少ないとき、明暗のタイミングに分布を生じるようになる。その様子を図３に示す。エンコーダのディスクが回転し明暗が１周期分変化したときの明暗分布が生じる様子を表している。よってワンカラー状態に近い干渉縞は、明暗の位相が変化していないと元々有している光量ムラと分離することができない。

こうした干渉縞が生じていたり明暗の変化の分布（位相のずれ）が生じたりしているとき、図１の光学系においては、ヘッド部ＨＥＡＤをディスク部ＤＳＫに対して相対的に角度Δθを付与すると、横縞の干渉縞の程度が調整できる。また、ディスクの径方向にヘッド位置のずれΔＲを付与すると、縦縞の干渉縞の程度が調整できる。よって、３つの光束のうちいずれかの光束を受光部で観察し、その観察結果からこれら２つの調整（Δθ、ΔＲ）を組合せることで、干渉光をワンカラー状態に収束させ、ヘッド位置を固定することができる。しかし、画像情報のままだと強度ムラや様々なパターンが重なっているため、人の感性的な調整になってしまう。また本来の信号検知用の受光部とは別に干渉縞の明暗の変化の位相ずれを別途検出するための受光部を用いるのは不合理である。そこで本実施形態では、３つの光束を、それぞれ４分割されたセンサＰＤ（Ａ）、ＰＤ（Ｂ）、ＰＤ（Ｃ）でそれぞれ受光し、それらの出力を後述の信号処理部にて合成する。それによって、本来のエンコーダの３相信号を出力するとともに、干渉縞に関する情報（縞の向き、縞の混み具合）を出力する。なお、３つの４分割センサの出力は、いずれか１つについて干渉縞に関する情報を計算すればよい。

以下、信号処理部に関して以下に説明する。図４は第１実施形態の信号処理部のブロック図で、特に４分割センサＰＤ（Ｃ）の演算処理について説明したものである。他の４分割センサＰＤ(Ａ)、ＰＤ(Ｂ)は各受光素子の総和としてＡ相信号、Ｂ相信号を出力している。第１実施形態において、４分割センサＰＤ（Ｃ）は、複数の部分領域ＰＤ（Ｃ１）〜ＰＤ（Ｃ４）を有する受光領域を備え、かつ、複数の部分領域ＰＤ（Ｃ１）〜ＰＤ（Ｃ４）のそれぞれで干渉光を受光する受光部を構成している。ヘッド部ＨＥＡＤに内蔵されている４分割センサＰＤ(Ｃ)の４つの受光セル出力は、ケーブルで伝送され、エンコーダ信号受信ユニットＲＶＲに入力される。エンコーダ信号受信ユニットＲＶＲは、複数の部分領域のそれぞれでの受光結果に基づいて受光領域における干渉光の位相分布の均一性を示す指標を求める処理部を構成している。４つの受光セルからエンコーダ信号受信ユニットＲＶＲに入力された信号の例を図５に示す。４つの信号は、ワンカラー状態からずれているため明暗のタイミングがずれ、正弦波状の波形に位相ズレが生じることがわかる。入力された４つの信号は、上側２つの和の信号および下側２つの和の信号、また、右側２つの和の信号および左側２つの和の信号に変換される。前者では、４つの部分領域ＰＤ（Ｃ１）〜ＰＤ（Ｃ４）が、ＰＤ（Ｃ１），ＰＤ（Ｃ２）の上側に位置する第１グループとＰＤ（Ｃ３），ＰＤ（Ｃ４）の下側に位置する第２グループとの２つにグループ分けされる。後者では、４つの部分領域ＰＤ（Ｃ１）〜ＰＤ（Ｃ４）が、ＰＤ（Ｃ１），ＰＤ（Ｃ３）の左側に位置する第１グループとＰＤ（Ｃ２），ＰＤ（Ｃ４）の右側に位置する第２グループとの別の２つにグループ分けされる。その後、４つの部分領域の受光結果の総和信号ＣをＣ相信号として生成、出力するとともに、上下の差信号ＤＥＦ（Ｖ）と左右の差信号ＤＥＦ（Ｈ）の２つの信号を生成し、必要があればモニタ用に出力しておく。

ディスクを何らかの操作で回転させると（実際は調整時のわずかな振動で回転させると）、干渉光の明暗位相が変動するため、周期信号が得られる。干渉縞がワンカラー状態であれば、差信号の振幅が最小値になり、総和信号Ｃの振幅が最大値になる。仮に受光素子ＰＤ(Ｃ)への入射光束を撮像素子ＣＣＤで撮像すれば干渉縞が形成されている場合は、その縞が揺れるように見えるはずである。また横縞（Ｈ軸方位）が形成されている場合は、差信号ＤＥＦ(Ｈ)の振幅が零になっていないし、また縦縞（Ｖ軸方位）が形成されている場合は、差信号ＤＥＦ(Ｖ)の振幅が零になっていない。しかし、干渉縞を理想的なワンカラー状態に調整できれば、総和信号Ｃが最大でかつ差信号ＤＥＦ(Ｈ)、ＤＥＦ(Ｖ)が零になる。よって、これら３つの信号を出力端子から出力し、図５のようにオシロスコープで波形としてモニタすることで、縞の方位と量が判定できるので、調整を効果的に収束させることができる。しかし作業簡便性を向上させるため、本実施形態ではワンカラー度判定回路ＣＵＬＣ（Ｈ）、ＣＵＬＣ(Ｖ)とＬＥＤ表示器ＬＥＤＡ(Ｈ)、ＬＥＤＡ(Ｖ)をエンコーダ信号受信ユニットＲＶＲに具備する。そうすることで作業者はその情報を手がかりにエンコーダの姿勢調整をすることができる。

演算部ＣＵＬＣ(Ｖ)は、上下の差信号ＤＥＦ（Ｖ）、全素子総和信号Ｃを用いて、干渉光のＶ軸方位の位相分布の均一性を示す指標であるワンカラー度ＯＣ（Ｖ）を式１のように演算する。
ＯＣ(Ｖ)＝ＤＥＦ（Ｖ）／Ｃ・・・（１）
演算部ＣＵＬＣ(Ｖ)は、Ｖ軸方位のワンカラー度ＯＣ（Ｖ）の値に応じて発光ダイオードアレイ表示部ＬＥＤＡ（Ｖ）の点灯状態を変化させる。ワンカラー度ＯＣ(Ｖ)は０の場合が「ワンカラー状態」なので、例えばワンカラー度が０.２以下になれば５個が点灯し、０.４〜０.２ならば４個が点灯し、その値が１に近い場合は全灯が消灯するように設定されている。

また、演算部ＣＵＬＣ(Ｈ)にて左右の差信号ＤＥＦ（Ｈ）、全素子総和信号Ｃを用いて、Ｈ軸方位のワンカラー度ＯＣ（Ｈ）を式２のように演算する。
ＯＣ(Ｈ)＝ＤＥＦ（Ｈ）／Ｃ・・・（２）
演算部ＣＵＬＣ(Ｈ)は、Ｈ軸方位のワンカラー度ＯＣ（Ｈ）の値に応じて発光ダイオードアレイ表示部ＬＥＤＡ（Ｈ）の点灯状態を変化させている。ワンカラー度ＯＣ(Ｈ)は０の場合が「ワンカラー状態」なので、例えばワンカラー度が０.２以下になれば５個が点灯し、０.４〜０.２ならば４個が点灯し、その値が１に近い場合は全灯が消灯するように設定されている。

よって、ヘッドの角度Δθを調整しながら、発光ダイオードアレイ表示部ＬＥＤＡ(Ｈ)が全灯点灯するようにする。また、ヘッドの位置ΔＲを調整をしながら、発光ダイオードアレイ表示部ＬＥＤＡ(Ｖ)が全灯点灯するようにすれば、干渉縞をワンカラー状態に追い込むことが可能である。なお、ワンカラー度の情報表示は、発光ダイオードの点灯数ではなく、赤、橙、黄、緑、青等に色を変えたり、発光ダイオードの点滅状態の変化で表示したりしても良い。また干渉計測装置の仕様により必要なワンカラー度が異なる場合はその閾値を適宜変更することも可能である。

〔第２実施形態〕
つぎに、図６に基づいて第２実施形態のワンカラー度の判定方法について説明する。ワンカラー調整を厳密に零近傍に追い込む必要がある場合は、実際には光束断面内で光量ムラがあるため、第１実施形態の差信号の振幅のみを手がかりにする方法では不完全となる。その場合は、光束断面内における位相差を検出し、それが上下左右で零になる状態がより正しい意味のワンカラー状態となる。実際、例えば光束の右半分と左半分で光量比が１：２の場合、ワンカラー状態になっても左右の差信号は零にならない。ディスクを何らかの操作で回転させ（実際は調整時のわずかな振動で回転させたとき）、明暗位相が変動されて、周期信号を発生させる。そうすると、受光素子ＰＤ（Ｃ）の４つの受光素子の上側２つの和信号（Ｃ１＋Ｃ２）の時間変化と下側２つの和信号（Ｃ３＋Ｃ４）の時間変化とのリサージュ波形が得られる。また、右側２つの和信号（Ｃ２＋Ｃ３）の時間変化と左側２つの和信号（Ｃ４＋Ｃ１）の時間変化とのリサージュ波形とが得られる。２つのリサージュ波形が楕円ではなく直線になるように調整を追い込めばワンカラー状態が達成できる。なお、これら４つの信号を図７のようにオシロスコープで２種類のリサージュ波形としてモニタしてもよい。しかし、本実施形態ではワンカラー度判定回路ＣＵＬＣ（Ｈ）、ＣＵＬＣ(Ｖ)と発光ダイオード表示部ＬＥＤＡ(Ｈ)、ＬＥＤＡ(Ｖ)をエンコーダ信号受信ユニットＲＶＲに具備し、その情報を手がかりに作業者はエンコーダの姿勢調整をすることができる。

演算部ＣＵＬＣ(Ｖ)の内部では、２つの和信号（Ｃ１＋Ｃ２）、（Ｃ３＋Ｃ４）の値の組をレジスタに保管し、ディスクを相対回転させて、複数組の和信号の情報を順次レジスタに保管する。それらの保管情報よりリサージュ波形を算出することでリサージュの楕円率（直線度）が求められ、最終的にＶ軸方位のワンカラー度が算出される。Ｈ軸方位のワンカラー度も同様に、２つの和信号（Ｃ２＋Ｃ３）、（Ｃ１＋Ｃ４）の値の組をレジスタに保管し、ディスクを相対回転させて、複数組の和信号の情報を順次レジスタに保管する。それらの保管情報よりリサージュ波形を算出することでリサージュの楕円率（直線度）が求められ、最終的にＨ軸方位のワンカラー度が算出される。第２実施形態におけるリサージュの楕円率は、受光領域における干渉光の位相分布の均一性を示す指標である。これらのワンカラー度の情報は第１実施形態と同様に発光ダイオードの点灯数で表現される。よって、ヘッドの角度Δθを調整しながら、発光ダイオードアレイ表示部ＬＥＤＡ(Ｈ)が全灯点灯するように、ヘッドの位置ΔＲを調整しながら、発光ダイオードアレイ表示部ＬＥＤＡ(Ｖ)が全灯点灯するようにすれば、ワンカラーに追い込むことが可能である。なお、ワンカラー度の情報表示は、第１実施形態と同様に方式を変更することが可能である。

〔第３実施形態〕
つぎに、図８に基づいて第３実施形態のワンカラー度の判定方法について説明する。本実施形態では、各相用の受光素子を４分割受光素子ではなく、ＣＣＤ等の撮像素子を用いたものである。ＣＣＤ等の撮像素子からの信号は、二次元に配列された光電変換素子（受光セル）の信号がクロック信号に基づいて周期的にシリアル信号として出力される。したがって、例えば４分割受光素子を仮想して、選択した領域部分をフィルタＦＴＲ１、ＦＴＲ２、ＦＴＲ３、ＦＴＲ４を利用して抜き出すこができる。フィルタＦＴＲ１は、受光素子ＰＤ(Ｃ１)の領域、フィルタＦＴＲ２は、受光素子ＰＤ(Ｃ２)の領域、フィルタＦＴＲ３は、受光素子ＰＤ(Ｃ３)の領域、フィルタＦＴＲ４は、受光素子ＰＤ(Ｃ４)の領域に相当する受光セルの情報を透過させる。この４つの信号は、第１実施形態または第２実施形態の信号処理と同様の処理によりワンカラー度を演算、表示させ、それを手がかりにエンコーダの姿勢調整をすることが可能である。

以上、第１〜第３実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、適用対象の干渉計測装置は、実施例の回折干渉型ロータリーエンコーダに限らず、各種光路によるロータリーエンコーダ、リニアエンコーダ、干渉測長装置のワンカラー調整に広く適用できる。ワンカラー度の判定は、差信号振幅で行う方法とリサージュ波形で行う方法を組合せることも可能である。また、３つの位相差信号受光用の４分割センサは、２つまたは４つにしても良い。その場合は、エンコーダ、干渉計の位相差信号が２相または４相として出力される。また、ワンカラー度の判定は、そのうちのどれを用いても良い。

Claims (11)

1. 光源から射出された光束を分割し、分割された光束を被検物を介して重ね合わせることによって生成された干渉光を計測する干渉計測装置であって、
   複数の部分領域を有する受光領域を備え、前記複数の部分領域のそれぞれで前記干渉光を受光する受光部と、
   前記複数の部分領域のそれぞれでの受光結果に基づいて、前記受光領域における前記干渉光の位相分布の均一性を示す指標を求める処理部と、
   を備える、ことを特徴とする干渉計測装置。
2. 前記処理部は、前記複数の部分領域のそれぞれで受光した前記干渉光の強度の信号を用いて前記指標を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の干渉計測装置。
3. 該求められた指標の情報を表示する表示部を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計測装置。
4. 前記被検物に対して前記干渉計測装置の計測ヘッドの位置及び角度のうち少なくとも一方を変更することによって、前記指標の値が変化する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
5. 前記複数の部分領域は第１グループ及び第２グループを有し、
   前記処理部は、前記第１グループに属する前記部分領域で受光した干渉光の強度の和と前記第２グループに属する前記部分領域で受光した干渉光の強度の和との差を前記複数の部分領域のそれぞれで受光した干渉光の強度の総和で割った値を前記指標として求める、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
6. 前記複数の部分領域は第１グループ及び第２グループを有し、
   前記処理部は、前記第１グループに属する前記部分領域で受光した干渉光の強度の和の時間変化と前記第２グループに属する前記部分領域で受光した干渉光の強度の和の時間変化とのリサージュ波形の直線度を前記指標として求める、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
7. 前記受光部は、４つの部分領域を有し、
   前記処理部は、上側２つの部分領域を前記第１グループとして、下側２つの部分領域を前記第２グループとして前記指標である第１指標を求め、
   前記処理部は、左側２つの部分領域を前記第１グループとして、右側２つの部分領域を前記第２グループとして前記指標である第２指標を求める、ことを特徴とする請求項５又は６に記載の干渉計測装置。
8. 前記受光部は、複数の光電変換素子が二次元に配列された撮像素子であり、前記各部分領域は、少なくとも１つの前記光電変換素子を含む、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
9. 前記干渉計測装置は回折干渉型エンコーダであって、計測ヘッドと、回折格子が形成された前記被検物とを有する、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
10. 前記回折干渉型エンコーダはロータリーエンコーダである、ことを特徴とする請求項９に記載の干渉計測装置。
11. 干渉光を用いて計測を行う干渉計測装置であって、
    複数の部分領域を有する受光領域を備え、前記複数の部分領域のそれぞれで前記干渉光を受光する受光部と、
    前記複数の部分領域のそれぞれでの受光結果に基づいて、前記受光領域における前記干渉光の位相分布の均一性を示す指標を求める処理部と、
    を備える、ことを特徴とする干渉計測装置。

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