CN101680744A - 长度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用激光束的光学长度测量装置,并提出能实现高度精确测量。所述长度测量装置包括:长度测量部分,该长度测量部分测量到被测物的距离并具有测量激光束源;校准激光束源,该校准激光束源发射激光束,该激光束的波长稳定性高于所述测量激光束源的激光束的波长稳定性;干涉光学系统,该干涉光学系统使得所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束干涉;以及运算处理部分,该运算处理部分基于所述干涉光学系统的输出和所述长度测量部分的输出来进行所述距离的计算。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及一种使用激光束的光学长度测量装置。
背景技术
[0002]作为长度测量装置,已知的装置例如包括:可沿被测物的测量方向移动的移动载物台、设置在此移动载物台上并检测被测物边缘的边缘检测光学系统、发射激光束的激光束源、基于来自激光束源的激光束检测移动载物台的移动量的激光干涉仪等等,上述激光束源被设置在移动载物台上的可动反射镜反射(见专利文献1)。
专利文献1:日本专利No.3418234
发明内容
本发明要解决的问题
[0003]在包括上述长度测量装置的光学长度测量装置中,通常将塞曼(Zeeman)波长稳定激光器用作激光束源,且其波长稳定性为大约1×10-8。
[0004]因此,在使用该塞曼波长稳定激光器的长度测量装置中,测量长度的不准确度不会高于1×10-8。例如,在测量1m的标准尺时,精极限度为大约1m×1×10-8=10nm。
[0005]作为塞曼波长稳定激光器的替代,考虑使用具有例如2×10-12的波长稳定性的碘稳频激光器(iodine stabilized laser),该波长稳定性优于塞曼波长稳定激光器的波长稳定性,但据说此碘稳频激光器的光功率小,不适用于移动被测物,而且光干涉性不好,从而导致很难在测量中使用碘稳频激光器。
[0006]本发明的提议是提供一种能实现高度精确测量的光学长度测量装置。
解决问题的手段
[0007]第一发明的长度测量装置包括:长度测量部分,该长度测量部分测量到被测物的距离并具有测量激光束源;校准激光束源,该校准激光束源发射激光束,该激光束的波长稳定性高于所述测量激光束源的激光束的波长稳定性;干涉光学系统,该干涉光学系统使得所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束干涉;以及运算处理部分,该运算处理部分基于所述干涉光学系统的输出和所述长度测量部分的输出来进行所述距离的计算。
[0008]在第二发明的长度测量装置中,该校准激光束源为碘稳频激光束源。
[0009]在第三发明的长度测量装置中,该干涉光学系统的输出为所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束之间的频率差,并且,运算处理部分根据该频率差来计算所述测量激光束源的激光束的波长,并基于该波长的计算结果、根据长度测量部分的输出来计算距离。
[0010]第四发明的长度测量装置包括显示部分,该显示部分基于通过运算处理部分中的计算而获得的距离来显示信息。
[0011]在第五发明的长度测量装置中,在长度测量部分测量距离时,干涉光学系统使得所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束干涉,并且,在长度测量部分测量距离时,运算处理部分基于干涉光学系统的输出和长度测量部分的输出来计算距离。
发明效果
[0012]根据本发明,高度精确的测量变成可能。
附图说明
[0013]图1是示出了本发明的长度测量装置的一个实施例的示意图。
图2是示出了波长校正的一个示例的说明图。
图3是示出了波长校正的另一示例的说明图。
具体实施方式
[0014]下面将参照图1来说明本发明的长度测量装置。
[0015]图1是本发明的长度测量装置的一个实施例的示意图。如图1所示,长度测量装置10包括:作为测量激光束源的塞曼激光束源11;作为长度测量部分的长度测量装置本体12,该长度测量部分利用该塞曼激光束源11的激光束照射被测物(移动工作台21),以测量与该被测物的距离;碘稳频激光束源14,该碘稳频激光束源14作为发射激光束的校准激光束源,该激光束的波长稳定性高于塞曼激光束源11的激光束的波长稳定性;干涉光学系统(半透镜32、检波器34),该干涉光学系统(半透镜32、检波器34)使得塞曼激光束源11的激光束与碘稳频激光束源14的激光束干涉;以及运算处理部分16,该运算处理部分16基于干涉光学系统的输出(检波器34的输出)与测量装置本体12的输出(计数器26)来计算所述距离。
[0016]在长度测量装置本体12中,布置了底座20和移动工作台21,该移动工作台21作为装配在底座20上的被测物,以便通过未示出的移动机构沿该图中的箭头方向(图1中的左右方向)移动。
[0017]在测量过程中,在移动工作台21上,将用于测量的标准尺22沿移动工作台21的移动方向固定。沿该图中的左右方向移送移动工作台21,刻印在用于测量的标准尺22上的刻度通过用于刻度线的显微镜23检测出。
[0018]在移动工作台21的一端,为测量移动工作台21的移送距离,配备有反射来自塞曼激光束源11的激光束的反射镜24。
[0019]请注意,在长度测量装置本体12中,配备有上述标准尺22和用于刻度线的显微镜23。
[0020]在塞曼激光束源11与移动工作台21之间的光路中布置有半透镜25,且来自塞曼激光束源11的激光束的强度被此半透镜25一分为二。
[0021]传输经过半透镜25而被分割的激光束被照射到反射镜24。在该反射镜24上反射的反射光束返回到半透镜25,而在该半透镜25上反射的光束与从参照镜27反射的光束干涉。此时,由于该干涉而形成的光束入射到光检测器29上,并被转换成电信号,且移动工作台21的坐标由计数器26测得。
[0022]除反射光束的频率信号以外,来自塞曼激光束源11的直射光束的频率信号也被输入计数器26,上述直射光束的频率信号由未示出的光检测器转换成电信号。在计数器26中,从直射光束的该频率信号和反射光束的频率信号来获得直射光束与反射光束之间的相位差,且该相位差信息(移动工作台21的移送距离信息)被输出到运算处理部分16。
[0023]在半透镜28上反射并被分割的来自塞曼激光束源11的激光束通过波长板31朝着包括碘稳频激光束源14和干涉光学系统(半透镜32、检波器34)的校准光学系统30行进。波长板31将调整光束的偏振平面。在半透镜28上反射的来自塞曼激光束源11的激光束的偏振平面在波长板31上被调整,然后,该激光束到达包括在干涉光学系统中的半透镜32,该干涉光学系统布置在校准光学系统30内。
[0024]来自碘稳频激光束源14的光束经过光束扩展器33,且在此光束扩展器33中,该光束被调整为与来自塞曼激光束源11的光束具有大致相同的光束直径。然后,来自碘稳频激光束源14的光束同样到达半透镜32。
[0025]来自碘稳频激光束源14的光束经过半透镜32。另一方面,来自塞曼激光束源11的激光束在半透镜32上反射,来自塞曼激光束源11的激光束以及来自碘稳频激光束源14的激光束通过该半透镜32相互干涉,从而一起朝着聚光透镜33侧行进。干涉的两光束均通过聚光透镜33会聚到检波器(例如雪崩光电二极管)34的检测表面上。
[0026]在检波器34中,入射光束被转换成电信号而输出。当把来自塞曼激光束源11的激光束的频率设定为Va,并将来自碘稳频激光束源14的激光束的频率设定为Vi时,从检波器34输出的电信号(干涉光学系统的输出)的频率变成Vi-Va,亦即两激光束的频率之差。Vi-Va用Vb表示,并将其称作拍频信号。通过宽带放大器35来放大该拍频信号Vb,以被输入到频率计数器36,然后在该计数器36内对信号频率进行计算,然后,由运算处理部分16获得塞曼激光束源11的波长λa。
[0027]如下所示:
Vb=|Va-Vi|
这里,当假设碘激光束的频率Vi总是高于塞曼激光束的频率Va时,可用Va=Vi-Vb(Hz)来表示。
[0028]真空中的光束速率为C=299792458(m/s),因此,塞曼激光束的波长λa变成如下所示:
λa=C/Va=299792458/(Vi-Vb)
[0029]由拍频信号的频率Vb和碘激光束的频率Vi表示的塞曼激光束的波长λa的信息被输出到运算处理部分16。
[0030]在运算处理部分16中,通过利用由拍频信号的频率Vb和碘激光束的频率Vi表示的塞曼激光束的波长λa的信息,为作为长度测量装置本体12的输出的移动工作台21的移送距离信息执行运算处理,然后,从移动工作台21的该移送距离信息来获得标准尺22的刻度线之间的间隔。
[0031]能根据需要在显示部分17上显示运算处理部分16的运算处理结果。在显示部分17上,例如,并排显示刻度线之间的间隔的标称值和测量值。此外,在显示部分17上显示该标称值和测量值的同时,还能够通过未示出的打印机打印该标称值和测量值。
[0032]当只使用来自塞曼激光束源11的激光束而不使用来自碘稳频激光束源14的激光束进行测量时,来自塞曼激光束源11的激光束的波长稳定性为大约1×10-8,因此,测量标准尺的刻度位置的不准确度结果为大约1×10-8。然而,如本实施例中所描述的,当来自碘稳频激光束源14的激光束用于利用拍频信号的频率Vb和碘激光束的频率Vi来获得塞曼激光束的波长λa时,由于碘激光束的波长稳定性为大约2×10-12,所以测量标准尺22的刻度位置的不准确度将大大提高到大约2×10-12。
[0033]此外,如果将碘激光束直接照射到移动工作台21的反射镜24并对其进行反射,则通过使用碘激光束的频率Vi等等并通过执行运算处理来获得利用塞曼激光束而获得的移动工作台21的移送距离信息,而非测量移动工作台21的移送距离。由此,不存在因使用碘激光束(功率小、不适用于移动被测物,且干涉性不好)而导致的问题,从而使得高度精确的测量变成可能。
[0034]在本实施例中,描述了碘激光束用作如下激光束的情况,即,该激光束的稳定性高于作为测量激光束的塞曼激光束的稳定性,但本实施例并不限于以上描述。
[0035]此外,在本实施例中,描述了这样一种情况,即,在测量标准尺22的刻度位置的同时计算拍频信号Vb的信号频率,并通过利用拍频信号Vb和碘激光束的频率Vi进行的计算来获得塞曼激光束源11的波长λa,但可以例如在测量标准尺22的刻度位置之后利用拍频信号Vb和碘激光束的频率Vi来计算塞曼激光束源11的波长λa。另外,也可以在利用拍频信号Vb和碘激光束的频率Vi计算出塞曼激光束源11的波长λa之后,测量标准尺22的刻度位置。
[0036]图2是用于说明在如下情况下的波长校正细节的图,其中,在测量标准尺22的刻度位置的同时对拍频信号Vb的信号频率进行计数,且通过利用拍频信号Vb和碘激光束的频率Vi的计算来获得塞曼激光束源11的波长λa。
[0037]在此方法中,每当测量图2所示的标准尺22的刻度(S1,S2…,Sn)时,对塞曼激光束源11的波长λa进行校正。
[0038]也就是说,当测量刻度S1时,将塞曼激光束源11的波长设定为λa1,类似地,当测量刻度S2,…,Sn时,将波长设定为λa2,…,λan。此外,将波长校正之前的刻度S1,S2…,Sn的位置测量结果设定为P1,P2,…,Pn。这里,波长校正之前指的是这样一种测量值,其中,使用塞曼激光束源11的波长的标称值λa0。例如,当不进行波长校正时,刻度S1与刻度S2之间的间隔为P2-P1。
[0039]另一方面,当考虑波长校正时,刻度S1的位置为P1,而此刻塞曼波束源11的波长为λa1。由此,在进行波长校正之后获得的位置P′1由以下表达式表示。
[0040]P’1=P1×λa1/λa0
同样,对于刻度S2,其位置表示为P’2=P2×λa2/λa0。
[0041]由此,在进行波长校正之后获得的刻度S1与刻度S2之间的间隔表示如下。
P’2-P’1=P2×λa2/λa0-P1×λa1/λa0
[0042]图3是用于说明示例的图,其中,在测量标准尺22的刻度位置之后,通过利用塞曼激光束源11的波长λa的平均值λam来进行波长校正。
[0043]在此方法中,求塞曼激光束源11的波长λa的平均值,由此,在测量图3所示的标准尺22的刻度(S1,S2…,Sn)的时刻获得平均值λam。
[0044]此时,在进行波长校正之后获得的位置P′1由以下表达式表示。
[0045]P’1=P1×λam/λa0
同样,对于刻度S2,其位置表示为P’2=P2×λam/λa0。
[0046]由此,在进行波长校正之后获得的刻度S1与刻度S2之间的间隔表示如下。
P’2-P’1=P2×λam/λa0-P1×λam/λa0
=(P2-P1)×λam/λa0
Claims (5)
1.一种长度测量装置,包括:
长度测量部分,所述长度测量部分测量到被测物的距离并具有测量激光束源;
校准激光束源,所述校准激光束源发射具有比所述测量激光束源的激光束的波长稳定性高的波长稳定性的激光束;
干涉光学系统,所述干涉光学系统使得所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束干涉;以及
运算处理部分,所述运算处理部分基于所述干涉光学系统的输出和所述长度测量部分的输出来计算所述距离。
2.根据权利要求1所述的长度测量装置,其中
所述校准激光束源为碘稳频激光束源。
3.根据权利要求1或2所述的长度测量装置,其中
所述干涉光学系统的输出为所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束之间的频率差,并且
所述运算处理部分从所述频率差来计算所述测量激光束源的激光束的波长,并基于所述波长的计算结果从所述长度测量部分的输出来计算所述距离。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的长度测量装置,还包括:
显示部分,所述显示部分基于通过所述运算处理部分中的计算而获得的所述距离来显示信息。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的长度测量装置,其中:
在所述长度测量部分测量所述距离时,所述干涉光学系统使得所述测量激光束源的激光束与所述校准激光束源的激光束干涉,并且
在所述长度测量部分测量所述距离时,所述运算处理部分基于所述干涉光学系统的输出和所述长度测量部分的输出来计算所述距离。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100324 |