JP2005345329A

JP2005345329A - 測長用レーザ干渉計

Info

Publication number: JP2005345329A
Application number: JP2004166700A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Osawa; 信之大澤; Toru Shimizu; 徹清水
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】使い勝手のよい測長用レーザ干渉計を簡単な構成で実現すること。
【解決手段】レーザ光源と、レーザビームを第１及び第２の再帰反射手段14,16に向かう第１及び第２レーザビーム18,19とに分割すると共に、再帰反射されて逆方向に戻ってくる第１及び第２レーザビームを干渉するように合成するビームスプリッタ7と、ビームスプリッタを収容する筐体とを有する干渉ユニット11と、第１及び第２レーザビームの干渉光を受光し、干渉縞に応じた電気信号を生成する受光手段とを備える測長用レーザ干渉計であって、筐体は、面方向の異なる少なくとも２つの基準面を備え、干渉ユニット11は、第１及び第２レーザビームの出射方向を調整する第１及び第２ビーム方向調整手段12,13とを備え、第１及び第２レーザビームの出射方向は、所定の方向に調整されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、２つに分割したレーザ光の一方を移動物体に取り付けられた再帰反射手段（コーナーキューブ）で反射させ、もう一方を固定の参照用コーナーキューブで反射させて戻ってきたレーザ光と干渉させ、移動物体の移動に伴い変化する干渉縞を計数して移動距離を測定する測長用レーザ干渉計に関する。

工作機械などの各種の移動軸の移動精度を測定するため測長用レーザ干渉計が広く使用されている。図１は、特許文献１に記載された、干渉ユニットとレーザ光源及び受光器の間を光ファイバで接続して測定の自由度を向上した測長用レーザ干渉計の干渉ユニットの部分の構成を示す図である。図１に示すように、図示していないレーザ光源からレーザビームを伝送する偏波面保存光ファイバ２が干渉ユニット１の筐体に接続される。偏波面保存光ファイバ２の端部から出射されるレーザビームは、コリメータレンズ４により平行レーザビームになり、偏光ビームスプリッタ７に入射し、一部は接合面で反射されて測定用レーザビームとなり、残りは接合面を透過して参照用レーザビームとなる。測定用レーザビームは、干渉ユニット１から出射され、移動物体に固定された測定用コーナーキューブ９に入射して再帰反射する。再帰反射した測定用レーザビームは、偏光ビームスプリッタ７で反射する。参照用レーザビームは、干渉ユニット１の筐体内に固定された参照用コーナーキューブ８で再帰反射し、偏光ビームスプリッタ７を透過して測定用レーザビームと合成される。測定用レーザビームと参照用レーザビームは偏光板６に入射し、相互に干渉する。この干渉光は集束レンズ５により光ファイバ３の端面に集束され、光ファイバ３により図示していない受光器に伝送されて電気信号に変換される。移動物体が移動すると干渉縞が変化し、それに応じて電気信号も変化するので、移動物の移動量が測定できる。なお、光ファイバ３を設けずに、干渉ユニット１の筐体内に受光器を設けることも可能である。測長用レーザ干渉計については広く知られているので、ここではこれ以上の説明は省略する。

特許文献２は、測長用レーザ干渉計を使用して、移動物体の移動量を測定する構成を記載している。工作機械では通常２軸又は３軸の移動軸を有し、半導体製造工程などで広く使用される精密なＸＹステージは２軸の移動軸を有する。移動軸の測定は軸の数だけ行う必要がある。図１に示すように、従来の測長用レーザ干渉計は、参照用コーナーキューブ８が干渉ユニット１の筐体内に設けられており、測定用レーザビームの出射方向は固定されていた。そのため、複数の移動軸の測定を行う場合には、測定用レーザビームの出射方向を１つの移動軸の方向に合わせて測定を行った後、他の移動軸について順次同様の作業を行なっていた。測定用レーザビームの出射方向を移動軸の方向に合わせる作業を容易にするため、３軸方向の平行移動及び２軸の回りの回転が可能な載物台を移動ステージに固定し、その上に干渉ユニット１を固定して、測定用レーザビームの出射方向を調整する。

以上のように、複数の移動軸の測定を行う場合、各軸について測定用レーザビームの出射方向合わせを行なう必要があり、上記のような載物台を使用しても測定作業が非常に煩雑であるという問題があった。また、３軸方向の平行移動及び２軸の回りの回転が可能な載物台は高価であるという問題がある。

特許文献３は、上記の問題を解決するため、測定用レーザビームの出射方向を直角な２軸又は３軸方向に切り替えられる干渉ユニットを有する測長用レーザ干渉計を記載している。

実用新案登録第２５１７９２９号特許第３３８０１２３号特開平９−２４３３２２号公報

しかし、特許文献３に記載された測長用レーザ干渉計の切り替え機構は複雑で、使用する部品点数も増加するため高価になるだけでなく、干渉ユニットが大きくなるという問題がある。

更に、特許文献３に記載された測長用レーザ干渉計は、切り替えられる複数の測定用レーザビームの出射方向は相互に９０°をなすが、測定用レーザビームの出射方向を移動軸の方向に合わせる作業は必要であり、高価な載物台を使用する必要があるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、使い勝手のよい測長用レーザ干渉計を簡単な構成で実現することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明の測長用レーザ干渉計は、ビームスプリッタで分割される２つのレーザビームを測定用と参照用の両方で使用すると共に、干渉ユニットの筐体に基準面を設け、干渉ユニットから出射される２つのレーザビームの方向をそれぞれ調整する方向調整手段を設け、基準面に対する２つのレーザビームの出射方向が所定の方向であるようにする。

すなわち、本発明の測長用レーザ干渉計は、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザビームを第１の再帰反射手段に向かう第１レーザビームと第２の再帰反射手段に向かう第２レーザビームとに分割すると共に、前記第１及び第２の再帰反射手段で反射されて逆方向に戻ってくる前記第１及び第２レーザビームを干渉するように合成するビームスプリッタと、該ビームスプリッタを収容する筐体とを有する干渉ユニットと、合成された前記第１及び第２レーザビームの干渉光を受光し、干渉縞に応じた電気信号を生成する受光手段とを備える測長用レーザ干渉計であって、前記筐体は、面方向の異なる少なくとも２つの基準面を備え、前記干渉ユニットは、前記干渉ユニットから出射される前記第１レーザビームの出射方向を調整する第１ビーム方向調整手段と、前記干渉ユニットから出射される前記第２レーザビームの出射方向を調整する第２ビーム方向調整手段とを備え、前記少なくとも２つの基準面に対する前記干渉ユニットからの前記第１及び第２レーザビームの出射方向は、所定の方向に調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の２つのレーザビームが測定用と参照用の両方で使用できるので、ＸＹステージなどの２軸の移動軸の測定が、単に測定用として使用するレーザビームを選択するだけで容易に行なえる。また、２つのレーザビームの出射方向は、基準面に対して所定の方向になるように設定されているので、測定対象のＸＹステージなどに軸方向を示す基準面がある場合には、その基準面に干渉ユニットの筐体の基準面を合わせるだけでレーザビームの出射方向を移動軸に合わせることが可能である。

第１及び第２の再帰反射手段は、干渉ユニットの筐体に取り付け及び取り外し可能であるようにして、測定用と参照用の両方の再帰反射手段として使用できるようにする。

２つのレーザビームの出射方向は精密に調整可能で、調整した状態が確実に保持できることが必要であり、第１及び第２ビーム方向調整手段は、対向する平面が所定の微細なウェッジ角をなし、独立して回転可能に保持された少なくとも２つのウェッジをそれぞれ有し、２つのウェッジのウェッジ角の方向は略９０°異なる機構とすることが望ましい。

干渉ユニットは、小型で軽量であることが望ましいので、特許文献１に記載された干渉ユニットとレーザ光源及び受光器の間を光ファイバで接続する構成を適用することが望ましい。

本発明によれば、単に基準面を合わせて干渉ユニットを取り付けるだけで２軸方向の移動量の測定が容易に行なえ、測定作業の煩雑さを大幅に軽減できる。

図２は、本発明の実施例の測長用レーザ干渉計の干渉ユニットの部分の構成を示す図である。図１の従来例と異なる点は、第１と第２の２つの再帰反射手段（コーナーキューブ）１４、１６がそれぞれ第１と第２の保持具１５、１７に保持されて、干渉ユニット１１に着脱可能になっている点と、干渉ユニット１１に第１ビーム方向調整手段１２と、第２ビーム方向調整手段１３とが設けられ、干渉ユニット１１の筐体に面方向の異なる３つの基準面（図示せず）が設けられ、干渉ユニット１１から出射される２つのレーザビームの出射方向が基準面に対して所定の方向になるように調整されている点であり、他の部分は従来例と同じである。以下、異なる点について説明する。

ここでは、３つの基準面は互いに垂直な平面であり、ＸＹＺ座標のＸＹ面が干渉ユニット１１の筐体の底面に対応し、ＸＺ面及びＹＺ面が筐体の側面に対応するとする。

図２で縦方向と横方向の２方向の移動を測定する場合を説明する。後述するように、干渉ユニットから出射されるレーザビームの出射方向は、縦方向と横方向に一致するように調整されているものとする。縦方向の移動を測定する場合には、第１のコーナーキューブ１４を保持した第１の保持具１５を干渉ユニット１１から取り外し、干渉ユニット１１に対して相対的に縦方向に移動する部分に、第１のコーナーキューブ１４に第１レーザビーム１８が入射するように取り付ける。そして、第２のコーナーキューブ１６を保持した第２の保持具１７は干渉ユニット１１に取り付けたままにする。この状態で、縦方向の移動の測定を行なう。縦方向の移動の測定が終了すると、第１の保持具１５を干渉ユニット１１に取り付け、第２の保持具１７を干渉ユニット１１から取り外し、干渉ユニット１１に対して相対的に横方向に移動する部分に、第２のコーナーキューブ１６に第２レーザビーム１９が入射するように取り付ける。この状態で、横方向の移動の測定を行なう。

図３は、第１及び第２ビーム方向調整手段１２、１３の構成及び動作を示す図である。平板状であるが、対向する平面が微細な角をなす光学部品はウェッジと呼ばれる。ウェッジは頂角の小さなプリズムであり、ウェッジに入射したレーザビームは進行方向が変化する。ウェッジを回転すると、レーザビームの進行方向は円錐状の軌跡を描いて変化する。図３の（Ａ）のように、２つのウェッジ２１、２２をウェッジ角が９０°異なる方向であるように組合せると、図３の（Ｂ）のように、レーザビームの進行方向は２つのウェッジによる進行方向の変化ａ、ｂを組み合わせた分だけ変化し、進行方向はｑだけ変化する。ここで、進行方向をａ変化させるウェッジを小さな角度回転すると、図示のように進行方向はΔａだけ変化する。同様に、進行方向をｂ変化させるウェッジを小さな角度回転すると、図示のように進行方向はΔｂだけ変化し、その変化はΔａに対してほぼ垂直である。したがって、２つのウェッジをそれぞれ回転することにより、進行方向を垂直な２方向に独立に変化させることができる。ウェッジの回転に対するビームの進行方向の変化量は、ウェッジ角により決定されるので、調整範囲に応じてウェッジ角を設定すれば任意の感度で高精度に調整が行える。しかも、ウェッジが平行移動しても又は傾きが若干変化しても進行方向の変化には影響しないので、調整した状態の保持が容易である。

以上が、ウェッジを利用したビーム方向調整手段の動作原理である。もちろん、２枚のウェッジを組み合わせると入射方向に対して出射方向は２つのウェッジ角の分だけ変化するので、その分を考慮して変更ビームスプリッタ７の向きやそれに入射するレーザビームの方向をあらかじめ設定する必要がある。また、図３の（Ｃ）のように、ウェッジ角の方向が１８０°異なる２枚のウェッジを追加して、２枚のウェッジのみを独立して回転可能にすれば、入射レーザビームはほぼ同じ進行方向で出射され、進行方向を２方向に調整できる。

次に、測長用レーザ干渉計の製造工程における干渉ユニット１１からのレーザビームの出射方向の調整を図４を参照して説明する。実施例の干渉ユニット１１の筐体は、３つの面が互いに垂直をなすように高精度に加工された基準面を有する。具体的には、図４において、干渉ユニット１１の筐体の底面、ガイド３１及び３２と接触している部分が基準面である。そして、干渉ユニット１１から出射されるレーザビーム１８、１９は、筐体の底面に平行で、一方はガイド３１の基準面に平行で、他方はガイド３２の基準面に平行であるように調整される。

図４は、干渉ユニット１１からのレーザビームの出射方向を調整するための測定ジグが、高精度に加工された上平面の上に載置された状態を示す。上平面には、側面が上平面に対して９０°をなし、且つ側面が互いに９０°をなすガイド３１、３２が設けられている。干渉ユニット１１の筐体を、基準面が上平面、ガイド３１、３２の側面に接触するように配置する。この時、第１及び第２の保持具１５、１７、すなわち第１及び第２のコーナーキューブ１４、１６は取り外しておく。そして、ガイド３１、３２に沿って第１及び第２の測定ジグ３３、３４を配置する。なお、測定ジグ３３、３４を共通にして、一方の調整が終了した後、測定ジグを移動して他方の調整を行うことも可能である。

図５は、測定ジグ３３、３４の構成例を示す図である。図５の（Ａ）は、干渉ユニット１１から出射されるレーザビーム１８、１９をレンズ４１でポジッションセンサ４２上に集束する。ポジッションセンサ４２は、光電面の中心と４辺の中央に電極を有し、中心の電極から４辺の各電極に流れる電流の比率から、光電面に照射された光ビームの加重中心を検出する素子である。レーザビーム１８、１９の方向が変化すると、ポジッションセンサ４２上のレーザビーム１８、１９の集束位置が変化し、ポジッションセンサ４２の出力を信号処理回路４３で処理してモニター４４上に表示すると集束位置が分かる。レーザビーム１８、１９の方向が基準面に対して所望の方向にある時の集束位置をあらかじめ求めておき、その集束位置になるように、上記の第１及び第２ビーム方向調整手段１２、１３を使用して調整を行う。これにより、レーザビーム１８、１９の干渉ユニット１１からの出射方向を基準面に対して所定の方向に設定できる。なお、実際には、ポジッションセンサ４２上の集束位置の許容範囲を設定し、その範囲内になるように調整を行う。これにより、基準面に対するレーザビーム１８、１９の干渉ユニット１１からの出射方向は、所定の方向に対して所定の範囲内に設定される。

図５の（Ｂ）は、ＣＣＤなどの２次元イメージセンサ５１にレーザビーム１８、１９を入射させ、駆動・信号処理回路５２によりイメージセンサ５１を駆動すると共にイメージセンサ５１からの信号を処理して検出信号を出力し、更に画像処理装置５３でレーザビーム１８、１９のプロフィールを求めてモニター５４に表示する。そして、ジグ３３、３４をガイド３１、３２に沿って移動して異なる位置でプロフィールの変化を調べる。プロフィールの中心位置が変化する場合にはレーザビーム１８、１９の出射方向はずれているので、第１及び第２ビーム方向調整手段１２、１３を使用して、位置を変えても変化しないように調整する。また、プロフィールの大きさが変化する場合には、レーザビーム１８、１９は平行でないことになる。この場合は、偏波面保存光ファイバ２の端部の位置を調整して、平行ビームになるようにする。

以上のようにして、干渉ユニット１１から出射されるレーザビーム１８、１９は、筐体の底面に平行で、それぞれ側面の基準面に平行になる。この状態で第１及び第２ビーム方向調整手段１２、１３は固定され、製品として出荷される。なお、ここではウェッジを使用したビーム方向調整手段１２、１３を使用する例を説明したが、これに限定されず、上記のように、偏波面保存光ファイバ２の端部の位置を調整してレーザビーム１８、１９の方向を調整することも可能である。但し、この調整を行うには偏波面保存光ファイバ２の端部を精密に移動して固定する高精度の移動機構が必要であり、調整作業もウェッジを使用する場合に比べて難しい。

次に、上記のようにして製作した測長用レーザ干渉計を使用してＸＹステージの移動精度を測定する場合を、図６及び図７を参照して説明する。図６は、ＸＹステージ上の移動台６１に干渉ユニット１１を取り付けた状態を示す。移動台６１は、Ｘ軸方向の移動軸６４上を図示していないボールネジなどにより移動可能である。移動軸６４は台６５に固定されており、台６５はＹ軸方向の移動軸６６上を同様に移動可能である。これにより、移動台６１はＸＹの２軸方向に移動可能である。

移動台６１の上平面はＸ軸とＹ軸に平行な平面であり、上平面にはＸ軸とＹ軸にそれぞれ平行な基準面を有する位置決め部材６２、６３が設けられている。干渉ユニット１１の底面を移動台６１の上平面に合わせ、他の基準面を位置決め部材６２、６３の基準面に合わせて固定する。これにより、干渉ユニット１１から出射されるレーザビーム１８、１９は、それぞれＸ軸とＹ軸に平行となる。

移動軸６４と６６の上に、保持具１５、１７を固定できる台部材６７、６８を設ける。図７の（Ａ）に示すように、Ｘ移動軸の移動精度を測定する場合には、保持具１５を台部材６７に固定し、保持具１７は干渉ユニット１１に固定しておく。この状態で、移動台６１を移動して移動量を測定する。次に、Ｙ移動軸の移動精度を測定する場合には、図７の（Ｂ）に示すように、保持具１５を干渉ユニット１１に固定し、保持具１７を台部材６８に固定する。そして、移動台６１をＸ軸方向に移動して、干渉ユニット１１から出射されるレーザビームが保持具１７のコーナーキューブ１６に入射する位置で停止し、その上で台６５をＹ軸方向に移動してＹ移動軸の移動量を測定する。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれに限定されず、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、レーザ光源として半導体レーザダイオードを使用する場合には、干渉ユニット内にレーザ光源を設けることができるので、偏波面保存光ファイバ２を使用する必要はない。いずれにしろ、干渉ユニット内でレーザビームの出射位置が固定され、干渉ユニットから出射されるレーザビームの方向が固定できることが必要で、干渉ユニットに外部から直接レーザビームを入射させる構成に本発明は適用できない。また、受光器を干渉ユニット内に設ければ、光ファイバ３を使用する必要はない。また、干渉ユニットから出射されるレーザビームの方向の調整は各種の機構で行うことができる。

本発明によれば、ＸＹステージなどの２軸移動機構の移動精度を測定する作業が大幅に改善されるので、２軸移動機構の製造やメンテナンスに要する費用を大幅に低減することが可能であり、製造及びメンテナンスコストを低減できる。

従来の測長用レーザ干渉計の干渉ユニット部の概略構成を示す図である。本発明の実施例の測長用レーザ干渉計の干渉ユニット部の概略構成を示す図である。実施例のビーム方向調整手段の構成及び動作を示す図である。実施例の測長用レーザ干渉計のレーザビームの出射方向の調整を説明する図である。レーザビームの出射方向の調整に使用するジグの構成例を説明する図である。実施例の測長用レーザ干渉計を使用してＸＹステージの移動精度を測定する場合の作業を説明する図である。実施例の測長用レーザ干渉計を使用してＸＹステージの移動精度を測定する場合の作業を説明する図である。

符号の説明

２…偏波面保存光ファイバ
３…光ファイバ
７…偏光ビームスプリッタ
１１…干渉ユニット
１２…第１ビーム方向調整手段
１３…第２ビーム方向調整手段
１４…第１再帰反射手段（コーナーキューブ）
１６…第２再帰反射手段（コーナーキューブ）

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザビームを第１の再帰反射手段に向かう第１レーザビームと第２の再帰反射手段に向かう第２レーザビームとに分割すると共に、前記第１及び第２の再帰反射手段で反射されて逆方向に戻ってくる前記第１及び第２レーザビームを干渉するように合成するビームスプリッタと、該ビームスプリッタを収容する筐体とを有する干渉ユニットと、
合成された前記第１及び第２レーザビームの干渉光を受光し、干渉縞に応じた電気信号を生成する受光手段とを備える測長用レーザ干渉計であって、
前記筐体は、面方向の異なる少なくとも２つの基準面を備え、
前記干渉ユニットは、
前記干渉ユニットから出射される前記第１レーザビームの出射方向を調整する第１ビーム方向調整手段と、
前記干渉ユニットから出射される前記第２レーザビームの出射方向を調整する第２ビーム方向調整手段とを備え、
前記少なくとも２つの基準面に対する前記干渉ユニットからの前記第１及び第２レーザビームの出射方向は、所定の方向に調整されていることを特徴とする測長用レーザ干渉計。
前記第１及び第２の再帰反射手段は、前記干渉ユニットの前記筐体に着脱可能である請求項１に記載の測長用レーザ干渉計。
前記第１及び第２ビーム方向調整手段は、対向する平面が所定のウェッジ角をなし、独立して回転可能に保持された少なくとも２つのウェッジをそれぞれ有し、
前記２つのウェッジの前記ウェッジ角の方向は略９０°異なる請求項１又は２に記載の測長用レーザ干渉計。
前記レーザ光源からのレーザビームを前記干渉ユニットに伝送する測定ビーム伝送偏波面保存光ファイバと、
合成された前記第１及び第２レーザビームの干渉光を受けて前記受光手段に伝送する受光ビーム伝送光ファイバとを更に備える請求項１から３のいずれか１項に記載の測長用レーザ干渉計。