JP2005121564A - 光学密着不要なブロックゲージ校正方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブロックゲージを干渉計を用いて光学的に校正するに際して、ブロックゲージを平面基板に光学密着させることなしにブロックゲージを校正することを可能にする。
【解決手段】光源に低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計を用い、その光路中にブロックゲージ５と透明基板６を配置する。ブロックゲージ５と透明基板６を一体として光軸方向に走査しながら、透明基板６の裏面反射光４またはブロックゲージ５の一端１４の表面からの反射光３と、透明基板６を透過した後の透明基板６の裏面１２からの反射光１または透明基板６を透過した後のブロックゲージ５の他端１３の表面からの反射光２との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージ５と透明基板６の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さL1 を測定することができる。
【選択図】図１
【解決手段】光源に低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計を用い、その光路中にブロックゲージ５と透明基板６を配置する。ブロックゲージ５と透明基板６を一体として光軸方向に走査しながら、透明基板６の裏面反射光４またはブロックゲージ５の一端１４の表面からの反射光３と、透明基板６を透過した後の透明基板６の裏面１２からの反射光１または透明基板６を透過した後のブロックゲージ５の他端１３の表面からの反射光２との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージ５と透明基板６の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さL1 を測定することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、長さ標準器として使用されているブロックゲージを、精密に長さ計測を行い校正を行う光学密着不要なブロックゲージ校正方法、およびその方法を実施する装置に関するものである。
ブロックゲージは最も広く利用されている実用長さ標準器である。その長さは両端面間の距離で定義される。このブロックゲージは経年変化等によって長さが微小に変化するため、定期的に精密な長さ測定を行って校正する必要がある。ブロックゲージを精密に長さ測定をするためには、光波干渉計を用いている。
その際、ブロックゲージの一方の端面を平面基板に光学密着させて、もう一方の端面で反射した光と平面基板表面で反射した光の光路差を干渉計で測定することにより行っている。このときの密着させる作業において、ブロックゲージや平面基板に傷をつける場合があり、熟練を要する。また、光学密着の手間は効率的な校正や自動校正の妨げになる。また、光学密着の悪さに起因する校正の不確かさがあった。特にブロックゲージの端面に傷や錆がある場合には光学密着をさせることができない。
従来よりこの関連の技術として下記のような特許文献及び非特許文献が存在する。非特許文献１及び２の技術では、基板を用いることなく、三角光路干渉計内に被校正ブロックゲージを設置し、両端面で反射する光や三角光路を右回り、左回りで進行する光の干渉を利用してブロックゲージの長さを求めている。しかしながらこの技術では、安定な波長安定化レーザが複数必要であるだけでなく、大気ゆらぎの影響が大きかった。
また、本件発明者が先に特許出願している下記特許文献１に示された従来の技術では、二つの干渉計を光ファイバーを用いて直接に接続し、低コヒーレンス光源を用い、一方の干渉計の光路差ともう一つの干渉計の光路差が一致するときにのみ干渉縞が発生することを利用して長さ情報を伝送するものであるが、この技術においても被測定物としてブロックゲージを用いる場合は、光学密着が必要であった。
このように従来は、ブロックゲージの干渉計による校正では、光学密着は必要不可欠という認識であった。そのため、光学密着の悪さに起因するブロックゲージと基板の間の距離は、校正の不確かさに含める必要があった。
特開２００２−１０７１１８号公報
Y. Ishii and S. Seino, "New method for interferometric measurement of gauge blocks without wringing onto a platen," Metrologia, 35, 67-73 (1998).
V.M. Khavinson, "Ring interferometer for two-sided measurement of the absolute lengths of end standards," Applied Optics, 38, 126-135 (1999).
したがって本発明は、ブロックゲージを干渉計を用いて光学的に校正するに際して、ブロックゲージを平面基板に光学密着させることなしにブロックゲージを校正することを目的としている。
本発明によるブロックゲージ校正方法は、上記課題を解決するため、低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中にブロックゲージと透明基板とを光軸方向に一体移動可能に配置し、前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査しながら、透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、透明基板透過後の透明基板裏面反射光または透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定するものである。
また、本発明による他のブロックゲージ校正方法は、低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中に第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置するとともに、前記第１透明基板と第２透明基板のいずれか一方と前記ブロックゲージとを光軸方向に一体移動可能に配置し、前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査しながら、該透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定するものである。
また、本発明による他のブロックゲージ校正方法は、低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計と他の干渉計とを直列に配置し、前記三角光路干渉計はその光路中にブロックゲージと透明基板とを配置し、或いは第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置し、前記他の干渉計の光路長を変化させながら、該透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の光路差を求めることによりブロックゲージの長さを測定するものである。
また、本発明によるブロックゲージ校正装置は、低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中にブロックゲージと透明基板とを光軸方向に一体移動可能に配置し、前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査する手段と、前記走査手段により走査しながら前記透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を測定する手段とを備え、前記干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定するものである。
また、本発明による他のブロックゲージ校正装置は、低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中に第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置し、前記第１透明基板と第２透明基板のいずれか一方と前記ブロックゲージとを光軸方向に一体移動可能に配置し、前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査する手段と、前記走査手段により走査しながら前記透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を測定する手段とを備え、前記干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定するものである。
また、本発明による他のブロックゲージ校正装置は、低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計と他の干渉計とを直列に配置し、前記三角光路干渉計はその光路中にブロックゲージと透明基板とを配置し、或いは第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置し、前記他の干渉計の光路長を変化する手段と、前記透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を測定する手段とを備え、前記干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の光路差を求めることによりブロックゲージの長さを測定するものである。
本発明は上記のような校正手法を採用したので、従来はブロックゲージを平面基板に光学密着しなければならず、ブロックゲージや平面基板を傷つけるおそれがあり、熟練者でなければ行えなず、また、ブロックゲージの密着面に傷や錆があると密着が行えなかったものであるが、本発明の手法では、光学密着が必要ないため、熟練技術は不要である。また、ブロックゲージを傷つける恐れはなく、傷や錆があっても校正することができる。更に、光学密着の時間が不要であるため、校正作業を大幅に効率化することができる。
本発明は、ブロックゲージを干渉計を用いて光学的に校正するに際して、ブロックゲージを平面基板に光学密着させることなしにブロックゲージを校正するため、光源に低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計において、ブロックゲージと透明基板を用い、ブロックゲージと透明基板を一体として光軸方向に走査しながら、透明基板表面反射光や透過光による低コヒーレンス干渉縞を測定する。
図１、２は、本発明の第１実施例の原理図である。図１のように三角光路干渉計の光路中に被校正ブロックゲージ５と透明基板６を、別途設けた走査手段によって一体的にその光路の光軸方向に移動可能に配置する。被校正ブロックゲージ５の長さをL1、透明基板６の厚さをL2、屈折率をn、被校正ブロックゲージ５と透明基板６の間の距離をzとする。三角光路干渉計内のビームスプリッタ７から右回りの光路と左回りの光路の距離が等しくなる位置をこの干渉計の原点８とする。干渉計内に何も配置されていないときの、干渉計を一周する長さをDとする。被校正ブロックゲージ５と透明基板６は一体となって光軸方向へ走査され、透明基板６の中心９と干渉計の原点８の間の距離をdとする。
図２は、被校正ブロックゲージと透明基板部分の拡大図である。今、図２に示すような４つの光路を考える。光路１はビームスプリッタ７で反射し、透明基板６の図中右面１２で反射した後、ビームスプリッタ７を透過する光路である。光路２は、ビームスプリッタ７で反射し、透明基板６を透過して被校正ブロックゲージ５の図中左面１３で反射した後、ビームスプリッタ７を透過する光路である。光路３は、ビームスプリッタ７を透過し、被校正ブロックゲージ５の右面１４で反射した後、ビームスプリッタ７で反射する光路である。光路４は、ビームスプリッタ７を透過し、透明基板６の右面１２で反射した後、ビームスプリッタ７で反射する光路である。それぞれの光路の光路長xは、
x1(d)=D-L2+2nL2+2d (1)
x2(d)=D-L2+2nL2+2z+2d (2)
x3(d)=D-L2-2z-2L1-2d (3)
x4(d)=D-L2-2d (4)
となる。
x1(d)=D-L2+2nL2+2d (1)
x2(d)=D-L2+2nL2+2z+2d (2)
x3(d)=D-L2-2z-2L1-2d (3)
x4(d)=D-L2-2d (4)
となる。
これらの光路長差yは、
y13(d)= x1(d)- x3(d)=2nL2+2z+2L1+4d (5)
y14(d) = x1(d)- x４(d)=2nL2+4d (6)
y23(d) = x2(d)- x3(d)=2nL2+4z+2L1+4d (7)
y24(d) = x2(d)- x4(d)=2nL2+2z+4d (8)
となる。光路長差がゼロになるときに検出器１１上で低コヒーレンス光の干渉縞が観測される。
y13(d)= x1(d)- x3(d)=2nL2+2z+2L1+4d (5)
y14(d) = x1(d)- x４(d)=2nL2+4d (6)
y23(d) = x2(d)- x3(d)=2nL2+4z+2L1+4d (7)
y24(d) = x2(d)- x4(d)=2nL2+2z+4d (8)
となる。光路長差がゼロになるときに検出器１１上で低コヒーレンス光の干渉縞が観測される。
それぞれの光路長差がゼロになるときのdは、
d13=(-nL2-z-L1)/2 (9)
d14=(-nL2)/2 (10)
d23=(-nL2-2z-L1)/2 (11)
d24=(-nL2-z)/2 (12)
である。式(9),(12)より、
2(d24-d13)= L1 (13)
となり、被校正ブロックゲージ５の長さL1が求められる。
d13=(-nL2-z-L1)/2 (9)
d14=(-nL2)/2 (10)
d23=(-nL2-2z-L1)/2 (11)
d24=(-nL2-z)/2 (12)
である。式(9),(12)より、
2(d24-d13)= L1 (13)
となり、被校正ブロックゲージ５の長さL1が求められる。
同様にして、前記式(9),(11)によって、或いは式(10),(11)によっても被校正ブロックゲージ５の長さL1を求めることができる。但しその際には被校正ブロックゲージ５と透明基板６との間の距離zの値が必要となるが、この距離zは、式(10)，(12)より、
2(d14-d24)= z (14)
で求めることができる。
2(d14-d24)= z (14)
で求めることができる。
したがって本発明においては、ブロックゲージ５と透明基板６とを一体として光軸方向に走査しながら、透明基板６の裏面反射光４またはブロックゲージ５の一端１４の表面からの反射光３と、透明基板６を透過した後の透明基板６の裏面１２からの反射光１または透明基板６を透過した後のブロックゲージ５の他端１３の表面からの反射光２との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージ５と透明基板６の一体移動距離(d24-d13)等を求めることによりブロックゲージの長さL1 を測定することができる。
図３は、本発明の第２実施例の原理図である。図１の干渉計に透明基板６と同一材料の透明基板１５を加える。透明基板１５は、透明基板６の屈折率の波長分散による干渉縞の非対称性や歪みを補償するために利用する。つまり、図１、図２では光路１と２は透明基板６を一往復透過するのに対し、光路３と４は空中伝播のみなので、透明基板材料の屈折率分散により、光路１と３、光路２と４の干渉縞は非対称性や歪みを生じる。ビームスプリッタ７から時計回りの光路中に透明基板１５を挿入すると光路３と４も透明基板を一往復透過するため、干渉縞は対称になる。透明基板６と１５の厚さの差は、数百μm以下になることが望ましい。
図４は、本発明の第３実施例の原理図である。二つの干渉計を直列に配置する。即ち、第一番目の干渉計２０の出射光が第二番目の干渉計２１の入射光１０となる。どちらかの干渉計を図１または図３の干渉計の配置とする。図４では、第二番目の干渉計２１が図１の干渉計となっている。第一番目の干渉計２０は、例えばマイケルソン型干渉計で、光路長差2Δを与える。この光路長差が式(5)-(8)の光路長差と一致するとき、検出器１１で対応する干渉縞が検出される。干渉縞が検出されるときの第一番目の干渉計の光路長差2Δから、式(9)-(14)を用いて、被校正ブロックゲージ５を校正することができる。二つの干渉計を単一モード光ファイバで接続すれば、第一番目の干渉計２０と第二番目の干渉計２１を遠方に配置することができ、ブロックゲージの遠隔校正も可能である。
本発明の原理は、式で解析的に証明した。また、二つの干渉計を直列に接続し、光源に低コヒーレンス光源を用いた干渉計において、双方の光路差が一致したときのみ干渉縞が発生することを利用して、一方の干渉計の光路差を測定する方法については、実証実験済みである。さらに、透明基板の表面反射光や裏面反射光、透過光を利用して、光路差が一致した光のみが寄与する干渉縞を測定して光路差を測定する方法についても実証実験済みである。
本発明は、実用長さ標準器校正、精密長さ計測に適用できる。
５ 被校正ブロックゲージ
６ 透明基板
７ ビームスプリッタ
８ 三角光路干渉計の原点
９ 透明基板の中心
１０ 三角光路干渉計の入射光
１１ 検出器
１２ 透明基板の裏面
１３ ブロックゲージの端面
１４ ブロックゲージの端面
１５ 透明基板
２０ 第一番目の干渉計
２１ 第二番目の干渉計
６ 透明基板
７ ビームスプリッタ
８ 三角光路干渉計の原点
９ 透明基板の中心
１０ 三角光路干渉計の入射光
１１ 検出器
１２ 透明基板の裏面
１３ ブロックゲージの端面
１４ ブロックゲージの端面
１５ 透明基板
２０ 第一番目の干渉計
２１ 第二番目の干渉計
Claims (6)
- 低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中にブロックゲージと透明基板とを光軸方向に一体移動可能に配置し、
前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査しながら、透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、透明基板透過後の透明基板裏面反射光または透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、
各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定することを特徴とするブロックゲージの校正方法。 - 低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中に第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置するとともに、前記第１透明基板と第２透明基板のいずれか一方と前記ブロックゲージとを光軸方向に一体移動可能に配置し、
前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査しながら、該透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、
各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定することを特徴とするブロックゲージの校正方法。 - 低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計と他の干渉計とを直列に配置し、
前記三角光路干渉計はその光路中にブロックゲージと透明基板とを配置し、或いは第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置し、
前記他の干渉計の光路長を変化させながら、該透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を少なくとも２組測定し、
各干渉縞発生時の光路差を求めることによりブロックゲージの長さを測定することを特徴とするブロックゲージの校正方法。 - 低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中にブロックゲージと透明基板とを光軸方向に一体移動可能に配置し、
前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査する手段と、
前記走査手段により走査しながら前記透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を測定する手段とを備え、
前記干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定することを特徴とするブロックゲージの校正装置。 - 低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計の光路中に第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置し、前記第１透明基板と第２透明基板のいずれか一方と前記ブロックゲージとを光軸方向に一体移動可能に配置し、
前記ブロックゲージと前記透明基板とを一体として光軸方向に走査する手段と、
前記走査手段により走査しながら前記透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を測定する手段とを備え、
前記干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の前記ブロックゲージと透明基板の一体移動距離を求めることによりブロックゲージの長さを測定することを特徴とするブロックゲージの校正装置。 - 低コヒーレンス光源を用いた三角光路干渉計と他の干渉計とを直列に配置し、
前記三角光路干渉計はその光路中にブロックゲージと透明基板とを配置し、或いは第１透明基板とブロックゲージと第２透明基板とを順に配置し、
前記他の干渉計の光路長を変化する手段と、
前記透明基板裏面反射光またはブロックゲージ一端表面反射光と、該透明基板透過後の該透明基板裏面反射光または該透明基板透過後のブロックゲージ他端表面反射光との組み合わせからなる低コヒーレンス干渉縞を測定する手段とを備え、
前記干渉縞を少なくとも２組測定し、各干渉縞発生時の光路差を求めることによりブロックゲージの長さを測定することを特徴とするブロックゲージの校正装置。
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| JP2005121564A true JP2005121564A (ja) | 2005-05-12 |
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|---|---|---|---|---|
| CN107132135A (zh) * | 2017-06-26 | 2017-09-05 | 深圳市樊溪电子有限公司 | 一种非接触式手持落锤弯沉仪的沉陷值检测系统 |
-
2003
- 2003-10-20 JP JP2003358832A patent/JP3944583B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107132135A (zh) * | 2017-06-26 | 2017-09-05 | 深圳市樊溪电子有限公司 | 一种非接触式手持落锤弯沉仪的沉陷值检测系统 |
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