CN1904544A - 追踪式激光干涉仪 - Google Patents

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Abstract

一种追踪式激光干涉仪，向被测定体的后向反射器照射激光束，利用后向反射器返回方向反射的激光束的干涉检测后向反射器的位移，利用激光束光轴位置变化进行追踪，其具有：固定设置的基准球；以基准球中心为中心转动的滑架；设置在滑架上输出对应后向反射器位移的位移信号的激光干涉仪以及输出对应基准球和位移计相对位移的位移信号的位移计；从位移计输出的位移信号和激光干涉仪输出的位移信号算出以基准球为基准的后向反射器位移的数据处理装置；输出对应偏移量输出位置信号的位置检测装置；使偏移量为零控制滑架转动的控制装置。相对旋转机构的径向跳动可靠，不易受到基准球表面的瑕疵或尘埃的影响，实现了使用较廉价基准球的追踪式激光干涉仪。

Description

追踪式激光干涉仪
技术领域
本发明涉及用于追踪移动体，并且高精度地测定该移动体的位移或位置的追踪式激光干涉仪。特别地涉及向作为被测定体的后向反射器照射激光束，通过利用该后向反射器向返回方向反射的激光束的干涉检测后向反射器的位移，并且利用上述激光束的光轴的位置变化进行追踪的追踪式激光干涉仪的改良。
背景技术
众所周知，有向作为被测定体的后向反射器照射激光束，通过利用该后向反射器向返回方向反射的激光束的干涉检测后向反射器的位移，并且利用上述激光束的光轴的位置变化进行追踪的追踪式激光干涉仪
例如，美国专利第6147748号说明书(以下称为专利文献1)中，如图1(整体结构)及图2(激光干涉仪的详细结构)所示，记载有用于测定作为被测定体的后向反射器10和基准球12的中心C的相对位移的追踪式激光干涉仪。
该激光干涉仪具有基准球12、以该基准球12的中心C作为中心旋转的滑架14、设置在该滑架14上的具有光源(图示省略)的激光干涉仪16、将基准球12的中心C或表面作为焦点而汇聚测定光的汇聚透镜18。
在这样的结构中，如图2所示，从光源射出的光线，经由光纤20及准直透镜22射入无偏振光分光器(NPBS)24，通过该NPBS24一部分被反射，经由偏振板26及光纤28，作为用于补偿光纤内的交调失真的光参照计数信号被导向光检测器(图示省略)。且，透过上述NPBS24的光，通过偏振光分光器(PBS)30被分为两束，一束直行而成为用于获得测定光的干涉光的参照光。另一束被PBS30反射，经由1/4波长(λ/4)板32及上述汇聚透镜18，作为测定光向上述基准球12的中心C或表面射出。
在该基准球12的表面被反射的测定光，经由上述汇聚透镜18、λ/4板32、PBS30、λ/4板34、NPBS36，射向上述后向反射器10。
被该后向反射器10反射的测定光，再次射入激光干涉仪16。射入激光干涉仪16的测定光的一部分，被上述NPBS36反射，射入位置检测器(PSB)38。且，剩余部分经由上述λ/4板34、NPBS30、偏振板40、光纤42，与上述参照光干涉，射入上述光检测器。
光检测器的输出，由于对应于入射的干涉光的干涉条纹而变化，所以利用该光检测器的输出，可测定将基准球12的中心C作为基准的后向反射器10的位移。
高精度的基准球12的表面由于距基准球12的中心C的距离是高精度且一定，所以即使在激光干涉仪16追踪后向反射器10在基准球12的中心C的周围转动的情况下，也可高精度地检测出以基准球12的中心C为基准的后向反射器10的位移。
进行对后向反射器10的追踪如下所述。即，射入激光干涉仪16的测定光，一部分射入PSD38，通过使该PSD38上的测定光的位置总保持一定而控制滑架14的位置，可自动地追踪后向反射器10。这是由于与测定光的光轴垂直方向的后向反射器10的位移相对应，利用射入PSD38的测定光的位置变化，如果后向反射器10在与测定光的光轴垂直的方向上产生位移，则从向后方射器10返回的测定光的光轴平行地进行位移。
在日本专利第2603429号公报(以下称为专利文献2)中，如图3所示，记载有用于测定成为基准的逆反射体106和作为目标的逆反射体(后向反射器)110的相对位移的追踪式激光干涉仪。
该干涉仪具有：设置在固定位置上的第一逆反射体106、设置在移动体上的第二逆反射体110、以上述第一逆反射体106为中心在正交的X轴及Y轴周围分别自由旋转的旋转部108、将从激光光源(省略图示)发出的激光束不受上述旋转部108的摆动影响地导向该旋转部108的装置、固定设置在上述旋转部108上的由多个光学零部件(λ/4板148、164、棱镜150、152、158、160、162、PBS154)构成的光学系统。
该光学系统利用PBS154将导向旋转部108的激光束分割，使分割了的部分的激光束经由与X轴正交的光路向上述第一逆反射体106入射，并且使另一部分的激光束沿上述光路的延长方向射出，射入上述第二逆反射体110，可分别得到来自上述第1及第2逆反射体106、110的反射光。
进一步地，还具有检测部(省略图示)、4分割光电二极管(QPD)112、和控制装置(图略)，上述该检测部，其根据经由上述光学系统而得到的2个反射光的干涉，检测第二逆反射体110的移动量；上述四分割光电二极管(QPD)112，其固定设置在上述旋转部108上，来自上述第二逆反射体110的反射光的一部分入射，并且作为输出对应向上述第二逆反射体110入射的激光束的偏移量的位置信号的位置检测装置；上述控制装置，根据来自该位置检测装置的位置信号使上述偏移量为零而控制上述旋转部108的X轴及Y轴周围的旋转位置。
在专利公开2002-98510号公报中(以下称为专利文献3)中，公开有在干涉光学系统的光路中设置摆头运动光摆杆(首振り運動光てこ)以代替上述基准球，激光光线向该摆头运动光摆杆的反射面的中心入射，通过控制摆头运动光摆杆，使该反射光线可向任意方向变化，将反射光线向作为测量对象的后向反射器照射且进行追踪的光线追踪式激光干涉测长器。
但是，在专利文献1记载的技术中，(1)在测定光以基准球12的中心C为焦点而聚光的情况下，存在着相对于旋转机构的径向跳动(在旋转机构旋转时旋转机构上的某个点画出的实际的轨迹和理想的轨迹的偏移)容易受到影响的问题。即，如果旋转机构的径向跳动导致测定光的焦点中心从C的位置偏移，从光检测器产生的信号S/N变差，不能进行位移测定。因此，容易受到旋转机构的径向跳动的影响。并且，(2)在将基准球12的表面作为焦点的情况下，存在着容易受到基准面表面的瑕疵或尘埃的影响，特别地，焦点的直径越小，越容易受到小的瑕疵或尘埃的影响的问题。
即使在专利文献2的技术中，对于作为基准球的逆反射体106，使用了金属球或金属涂层的玻璃球的情况下，与专利文献1相同，也存在着(1)把基准球的中心作为焦点的情况下，相对于旋转机构的径向跳动而不可靠，(2)把基准球的表面作为焦点的情况下，容易受到基准球表面的瑕疵或尘埃的影响的问题。
在把折射率为2.0的材料制成的球作为基准球而进行使用的情况下，加之上述(2)的问题点，这样的球一般不被销售，所以存在着基准球的价格高，而难得到的问题。
在专利文献3记载的技术中，激光束的中心和反射镜的旋转中心不一致的情况下，该误差成为测长的误差的主要原因，很难高精度地测定激光束的中心位置，所很难使其与反射镜的旋转中心高精度地一致。且，因为利用了拉伸弹簧的张力使钢球和半球加压地就位，所以3点球面座的钢球和反射镜的半球部分的摩擦变大，很难进行精密的控制。进一步地，高精度的球制作起来比较容易，但是高精度的半球很贵，存在着半球形状的反射镜的制作成本上升的问题。
发明内容
本发明是为了消除上述现有的问题点的发明，目的在于提供一种追踪式激光干涉仪，其相对于旋转机构的径向跳动可靠，且不容易受到基准球表面的瑕疵或尘埃的影响，还可使用较低廉的基准球。
本发明的追踪式激光干涉仪，为了解决上述问题，向作为被测定体的后向反射器照射，利用该后向反射器向返回方向反射的激光束的干涉检测后向反射器的位移，并且利用上述激光束的光轴的位置的变化进行追踪，其中，具有：固定设置的基准球；以该基准球的中心作为中心转动的滑架；设置在该滑架上的输出对应上述后向反射器的位移的位移信号的激光干涉仪，以及输出对应上述基准球和位移计的相对位移的位移信号的位移计；由该位移计输出的位移信号和激光干涉仪输出的位移信号算出将基准球作为基准的后向反射器的位移的数据处理装置；从上述后向反射器反射并返回到激光干涉仪的激光束，在与其光轴正交的方向上偏移时，输出对应该偏移量的输出位置信号的位置检测装置；根据来自该位置检测装置的位置信号，使上述偏移量为零而控制滑架转动的控制装置。
上述的激光干涉仪可以是迈克耳逊干涉仪。
可将上述位移计设置在上述基准球的两侧，不受温度变动的影响。
上述位移计可以是静电电容式位移计或涡流式位移计。
上述基准球可以是金属制。
上述位置检测装置可以是4分割光电二极管(QPD)或二维位置检测形检测器(PSD)。
通过本发明，将输出对应基准球和位移计的相对位移的位移信号的位移计设置在滑架上，利用该位移计和激光干涉仪测定距离，所以原理上不受旋转机构的径向跳动的影响，相对于旋转机构的径向跳动非常可靠。且因为不向基准球表面照射激光束，所以相对于基准球表面的瑕疵或尘埃可靠。可使用较为低廉的基准球。
通过下述优选实施例的具体说明，将了解到本发明的这些以及其他的新特征和优点。
附图说明
参考附图说明优选实施例，对具有相同功能的组件付与相同的标号。
图1是表示专利文献1记载的追踪式激光干涉仪的主要结构的剖面图；
图2是表示相同的干涉仪部分的详细结构的光路图；
图3是表示专利文献2记载的追踪式激光干涉仪的主要结构的光路图。
图4是表示本发明的第1实施方式的主要结构的剖面图；
图5是表示本发明的第1实施方式的立体图；
图6是表示本发明的第1实施方式的干涉仪部分的光路图；
图7是表示本发明第2实施方式的主要结构的剖面图。
具体实施方式
参照以下附图详细说明本发明的实施方式。
本发明的第1实施方式，如图4(整体图)、图5(主要部分的立体图)及图6(干涉仪部分的光路图)所示，具有：固定设置的基准球212；以该基准球212的中心C为中心转动设置的滑架214；设置在该滑架214上的输出对应于作为被测定体的后向反射器210的位移的位移信号的激光干涉仪216，以及用于输出对应于基准球212和位移计的相对位移的位移信号的，与激光束同轴并且夹着基准球212相对其两侧设置的位移计218、219；利用该位移计218、219输出的位移信号和上述激光干涉仪216输出的位移信号，算出以基准球212为基准的后向反射器210的位移的数据处理装置250(图5)；当从上述后向反射器210反射而返回激光干涉仪216的激光束在与该光轴正交的方向移动时，作为输出对应该偏移量的位置信号的位置检测装置的QPD238(图6)；根据来自上述位置检测装置的位置信号，作为使上述偏移量为零而控制滑架214的转动的控制装置的X轴电动机252X及Y轴电动机252Y。
作为上述位移计218、219，可使用例如静电电容式位移计或涡流式位移计。这些位移计的传感器的有效面积比尘埃或瑕疵大，传感器的横分解能力比较低，不容易受到基准球212表面上的尘埃或瑕疵的影响。另外，作为位移计218、219，可使用光纤传感器或各种接触式的位移传感器。
作为上述基准球212，可使用市面上销售的金属制的球。该球在工业上被广泛地使用，与专利文献2中使用的用折射率2.0的材料制作的球相比，便宜很多。另外，基准球212可使用金属制的以外的，陶瓷制、半导体制、玻璃制或金属涂层的球。但是，将涡流传感器作为位移传感器使用的情况下，必须使用金属制或金属涂层的球。
上述QPD238可以是二维PSD。
在图5中，260是在Y周周围自由转动支承滑架214的支承框，262是在X轴周围自由转动支承该支承框260的基座，在图6中，220是用于将来自光源(省略图示)的光向激光干涉仪216入射的光纤，222是准直透镜，230是PBS，226是λ/4板，236是NPBS，240是偏振板，270是用于反射参照光的平面镜，272是用于检测干涉光强度的光检测器。
下面，详细说明位移的测定方法。
作为位置的基准点而使用的固定基准球212和后向反射器210之间的长度变化量(位移)ΔL，通过下面的式子算出。
ΔL＝(ΔL2-ΔL3)/2+ΔL1    …(1)
这里，ΔL1是利用上述激光干涉仪216检测的激光干涉仪216和后向反射器210的相对位移(距离增加方向为+)。ΔL2是设置在激光干涉仪216和基准球212之间的位移计218和基准球212的表面的相对位移(距离增加方向为+)。ΔL3是位移计219和基准球212的表面的相对位移(距离增加方向为+)。
对高精度的基准球212的表面来说，由于距基准球212的中心C的距离为高精度且一定，所以即使在滑架214以C为中心转动的情况下，也可高精度地测定以基准球212的中心C为基准的后向反射器210的位移。
如图6所示，上述ΔL1的测定，可利用将后向反射器210作为被测定体的公知的迈克耳逊干涉仪的测定方法来测定。
即，来自未图示的光源向光纤220入射并从准直透镜222射出的光线，一部分作为参照光被使用，剩余部分作为测定光被使用。
参照光透过PBS230，被平面镜270反射，再被PBS230反射并射向光检测器272。
最初被PBS230反射的测定光射朝向后方射器210。被该后向反射器210反射的测定光返回而向激光干涉仪216入射，其中一部分被NPBS236反射向4分割QPD238入射。且，透过NPBS236的测定光与上述参照光干涉并向光检测器272入射。
该光检测器272的输出，对应入射的干涉光的干涉条纹而变化，所以利用该光检测器272的输出，可测定激光干涉仪216和后向反射器210的相对位移ΔL1。
上述后向反射器210的自动追踪，利用与专利文献1或2所示的方法相同的方法进行。
即，向激光反射仪216入射的测定光，一部分向QPD238入射，通过使该QPD238上的测定光的位置总是保持一定而使电动机252X、Y并旋转控制滑架214的位置，由此可自动地追踪后向反射器210。这里对应于相对测定光的光轴的垂直方向的后向反射器210的位移，利用向QPD238入射的测定光的位移产生位移。即，后向反射器210相对于测定光的光轴产生垂直方向的位移后，从向后方射器210返回的测定光的光轴平行地产生位移，所以，使从QPD238向数据处理装置250输出的位移信号总保持一定地驱动X轴电动机252X及Y轴电动机252Y，由此自动追踪后向反射器210。
在本实施方式中，将位移计218、219设置在基准球212的两侧，是为了补偿位移计218、219的温度漂移。即，若位移计218和219的温度漂移的倾向相同，则(1)式中求得的位移ΔL1不受位移计的温度漂移的影响。例如，位移计218测得的变化量ΔL2由温度漂移产生误差ΔD，而成为ΔL2+ΔD。若位移计218和219的温度漂移的倾向相等，则此时位移计219测得的变化量ΔL3也由于温度漂移产生误差，而成为ΔL3+ΔD。此时，ΔL变为如下式所示，ΔL不受位移计的温度漂移的影响。
ΔL＝{ΔL2+ΔD-(ΔL3+ΔD)}/2+ΔL1
   ＝(ΔL2-ΔL3)/2+ΔL1    …(2)
同样地，在基准球212各方向相同地热膨胀的情况下，可对该基准球212的热膨胀进行补偿。
因此，在位移计218、219设置在基准球212的两侧的情况下，可建立在温度变动上可靠的系统。
下面，就本实施方式的装置表示即使对于旋转机构的径向振动也非常可靠。
滑架214在基准球212的周围转动时，即使滑架整体在激光干涉仪216的测定光的光轴方向(图4、5的Z方向)产生位移，所算出的ΔL也不受该位移的影响。即，例如滑架整体在后向反射器210方向上产生位移ΔD。此时，ΔL1为ΔL1-ΔD，ΔL2为ΔL2+ΔD，ΔL3为ΔL3-ΔD。所以，ΔL为下式。
ΔL＝{(ΔL2+ΔD)-(ΔL3-ΔD)}/2+(ΔL1-ΔD)
   ＝(ΔL2-ΔL3)/2+ΔL1    …(3)
这样，即使滑架214在测定光的光轴方向上产生位移，算出的ΔL也不受该位移的影响。
接下来，说明滑架214在基准球212的周围转动时，即使滑架整体在与测定光的光轴正交方向(直线地)产生位移，算出的ΔL，不受该位移的影响。首先，ΔL1不受该位移的影响。即使激光干涉仪216在与测定光的光轴正交的方向上产生位移，由于激光干涉仪216和后向反射器210的往复光程长不变化，ΔL1不受该位移的影响。这是由于后向反射器210的性质而导致的。接下来，位移计218在与测定光的光轴正交的方向上产生位移，当ΔL2的值只增大ΔE时，ΔL3的值也增大ΔE。此时，ΔL为下式。
ΔL＝{(ΔL2+ΔE)-(ΔL3+ΔE)}/2+ΔL1
   ＝(ΔL2-ΔL3)/2+ΔL1    …(4)
所以，即使滑架整体在与测定光的光轴正交的方向上产生位移，算出的ΔL也不受该位移的影响。
如上述的说明，即使激光干涉仪216在测定光的光轴的方向上产生位移，或是在与测定光的光轴正交的方向上产生位移，ΔL也将不受这些位移的影响。由此，本实施例的装置对于旋转机构的径向跳动非常可靠。
下面，图7中表示了本发明的第2实施方式的主要部分。
在该第2实施方式中，只在基准球212的后向反射器210侧设置了位移计218，以测定ΔL。位移ΔL利用下式算出。
ΔL＝ΔL2+ΔL1    …(5)
这里，ΔL2以及ΔL1的定义与第1实施方式相同。
通过本实施方式，由于位移计有1个就可以，可便宜地制作装置。
另外，在本实施方式中，滑架整体在与测定光的光轴正交的方向上(直线地)产生位移的情况下，ΔL2产生的误差原样地加在ΔL上，与现有技术中的将基准球12的中心C作为焦点的专利文献1的情况相比，不会有激光干涉仪输出的位移信号的S/N变差而不能测定的问题，所以相对于旋转机构的径向跳动可靠。
2005年7月6日申请的日本专利申请No.2005-216110的公开内容，其说明书、附图以及权利要求的全部被引用于此，作为参考。
对于本领域的技术人员来说，上述实施例显然仅仅是说明性的。本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下实现其他的各种变形。

Claims (6)

1.一种追踪式激光干涉仪，其向作为被测定体的后向反射器照射，利用该后向反射器向返回方向反射的激光束的干涉检测后向反射器的位移，并且利用上述激光束的光轴的位置的变化进行追踪，其特征在于：
具有：固定设置的基准球；
以该基准球的中心作为中心转动的滑架；
设置在该滑架上的输出对应上述后向反射器的位移的位移信号的激光干涉仪以及输出对应上述基准球和位移计的相对位移的位移信号的位移计；
根据该位移计输出的位移信号和激光干涉仪输出的位移信号算出将基准球作为基准的后向反射器的位移的数据处理装置；
上述后向反射器反射并返回到激光干涉仪的激光束，在与该光轴正交的方向上偏移时，输出对应该偏移量的输出位置信号的位置检测装置；
根据来自该位置检测装置的位置信号，控制滑架转动以使上述偏移量为零的控制装置。
2.如权利要求1所述的追踪式激光干涉仪，其特征在于：
上述激光干涉仪为迈克耳逊干涉仪。
3.如权利要求1所述的追踪式激光干涉仪，其特征在于：
上述位移计设置在上述基准球的两侧。
4.如权利要求1或3所述的追踪式激光干涉仪，其特征在于：
上述位移计为静电电容式位移计或涡流式位移计。
5.如权利要求1或3所述的追踪式激光干涉仪，其特征在于：
上述基准球为金属制。
6.如权利要求1或3所述的追踪式激光干涉仪，其特征在于：
上述位置检测装置为4分割光电二极管或二维PSD。
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