JP2009128148A - 絶対位置の計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
原点位置を再現性良く設定可能な絶対位置の計測装置及び計測方法を提供する。
【解決手段】
第一の光源及びこれより干渉性の低い第二の光源を用いて被計測物の絶対位置を計測する計測装置であって、第一の光源及び第二の光源から得られる干渉信号の位相が一致する点、又は、第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点、を計測する計測部と、計測部により計測された点を原点位置として設定する原点設定部と、第一の光源から得られる干渉信号の原点位置における位相を記憶する位相記憶部と、原点位置の位置情報の消滅後に計測部により計測された計測結果と、第一の光源から得られる干渉信号と、位相記憶部に記憶された位相とを用いて原点位置を求め、原点を再設定する原点再設定部と、再設定された原点位置を基準として第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を求める位置算出部と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は絶対位置の計測装置に係り、特に、二つの光源を用いた原点検出機能を有するレーザ干渉計などの絶対位置の計測装置及びその計測装置を用いた計測方法に関する。

通常のレーザ干渉計は、原点位置の検出手段を持たず、相対的な移動量の計測のみが可能である。これに対して、原点検出手段を備えたレーザ干渉計が特開２００７−３３３１７号公報（特許文献１）、及び、特開２００７−３３３１８号公報（特許文献２）に開示されている。これらの文献で提案された手法では、位置を計測するための第一の光源に加え、第一の光源と波長又は干渉性の異なる第二の光源が用いられる。これら二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点、又は、干渉性の低い光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点のいずれかを原点とすることにより、レーザ干渉計に原点検出手段が与えられている。
特開２００７−３３３１７号公報 特開２００７−３３３１８号公報

しかしながら、第一の光源を用いた位置計測が極めて高い精度で行われる一方で、位相の一致する点にせよ、干渉信号が最大となる点にせよ、原点位置を精度よく計測することは困難である。このため、原点位置の再現性は、第一の光源の分解能に比較して相当に劣るという問題があった。

この問題は、第一の光源から得られる干渉信号の位相が特定の値（例えば０）となる点を原点候補とし、上記のようにして計測された原点に最も近い原点候補を原点とすることで、原点位置の計測精度を高めることができる。

理想的な干渉計であれば、リファレンスミラーを反射する光の経路と、ターゲットミラーを反射する光の経路が対称的に構成され、全ての波長に対して同一の等光路長となる位置が存在する。しかしながら、工業的に使用される干渉計は、プリズム厚さの誤差などにより、双方の光路に含まれる硝材の厚さが異なっている。また、波長の変動により、計測される原点位置と第一の光源から得られる干渉信号の位相との関係が変動するという問題もある。

計測された原点位置が、第一の光源から決定される二つの原点候補の中間位置となった場合、いずれの候補を原点に選べばよいか判断ができない。または、僅かな計測誤差に依存して、隣接する二つの原点候補のいずれかがランダムに原点に選ばれ、この結果、原点位置が大きく変動するという問題があった。

本発明は、原点計測を、第一の光源を用いた位置精度と同様の精度で行うことができ、かつ波長変動によって原点位置が変動しない装置を提供する。すなわち、原点位置を再現性よく決定できる絶対位置の計測装置を提供する。

本発明の一側面としての絶対位置の計測装置は、第一の光源及び該第一の光源より干渉性の低い第二の光源を用いて被計測物の絶対位置を計測する計測装置であって、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第二の光源から得られる干渉信号の位相とが一致する点、又は、該第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点、を計測する計測部と、前記計測部により計測された点を原点位置として設定する原点設定部と、前記第一の光源から得られる干渉信号の前記原点位置における位相を記憶する位相記憶部と、前記原点位置の位置情報の消滅後に前記計測部により計測された計測結果と、前記第一の光源から得られる干渉信号と、前記位相記憶部に記憶された位相とを用いて前記原点位置を求め、原点を再設定する原点再設定部と、前記再設定された原点位置を基準として前記第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を求める位置算出部とを有する。

また、本発明の一側面としての絶対位置の計測方法は、第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を計測する計測方法であって、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第一の光源より干渉性の低い第二の光源から得られる干渉信号の位相とが一致する点、又は、前記第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点を求め、求めた点を原点位置として設定する原点設定工程と、前記原点位置における前記第一の光源から得られる干渉信号の位相を記憶する位相記憶工程と、前記原点位置の消滅後、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第一の光源より干渉性の低い第二の光源から得られる干渉信号の位相とが一致する点、又は、前記第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点を求め、その求めた点に最も近い、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相が前記位相記憶工程において記憶された位相と一致する点を原点位置として再設定する原点再設定工程と、前記再設定された原点を基準として、前記第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を求める工程とを有する。

本発明によれば、原点位置を再現性良く決定できる絶対位置の計測装置及びその計測装置を用いた絶対位置の計測方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図８は、一般的なレーザ干渉計の主要部の構成図である。光源１より射出された光は、偏光ビームスプリッタ２により分割される。分割された光は、リファレンスミラー３−１及びターゲットミラー３−２で反射される。これらのミラーで反射されたそれぞれの光は、再び、偏光ビームスプリッタ２で合成され、干渉信号となって干渉信号検出器５で検出される。

このように、リファレンスミラー３−１及びターゲットミラー３−２を反射したそれぞれの光の位相差が、干渉信号の位相として出力される。なお、双方の光路に挿入されたλ／４波長板４−１、４−２は、偏光ビームスプリッタ２での透過、反射を反転するために挿入されている。

図９は、偏光ビームスプリッタ２を構成するプリズムの厚さに誤差が生じている場合を示している。リファレンスミラー３−１を反射する光の光路とターゲットミラー３−２を反射する光の光路は同一であることが理想的である。しかし実際には、図９に示すようなプリズムの製作誤差などにより、リファレンスミラー３−１を反射する光の光路とターゲットミラー３−２を反射する光の光路は長さＬｇだけ異なる。このため、波長が異なると等光路長位置も異なり、干渉信号の位相は波長の影響を受けることになる。

しかしながら、レーザ干渉計においては、干渉信号が光源波長の影響を受けにくい点が一つだけ存在する。以下、これについて説明する。

リファレンスミラー３−１を反射する光路の側に、長さＬｇだけ、ターゲットミラー３−２を反射する光路に比べて長い硝材透過部分が含まれているとする。また、ターゲットミラー３−２を反射する光路の側に、長さＬａだけ、リファレンスミラー３−１を反射する光路に比べて長い空気透過部分が含まれているとする。このとき、双方のミラーを反射する光の位相差、すなわち干渉信号の位相は式（１）、（２）で計算される。

φ１＝２（ｎ１・Ｌｇ−Ｌａ）／λ１ （１）
φ２＝２（ｎ２・Ｌｇ−Ｌａ）／λ２ （２）
このように、光源波長がλ１（屈折率ｎ１）のとき干渉信号の位相はφ１となり、光源波長がλ２（屈折率ｎ２）のとき干渉信号はφ２となる。光源波長がλ１からλ２に変化すると、干渉信号の位相変化は式（３）で与えられる。

φ２−φ１＝２Δλ／λ１・λ２（Ｌａ−Ｌｇ・ｎｇ） （３）
ここで、ｎｇは〔ｎ１−λ１ｄｎ／ｄλ〕で定義される屈折率である。屈折率ｎｇは、波長λ１と波長λ２の間の屈折率を線形近似して、これを波長ゼロに外挿して得られる屈折率に相当する。波長λ１と波長λ２が近接している場合は、この間の分散（屈折率の波長に対する変化率）は一定とみなすことが可能で、この近似は高い精度で成り立つ。

式（３）より、〔Ｌａ＝Ｌｇ・ｎｇ〕なる特定の点で、右辺はゼロとなることがわかる。Ｌｇは、リファレンスミラー３−１を反射する光路側に余分に含まれる硝材の厚さである。またｎｇは、材料特性から決まる定数である。このため、Ｌａは、波長の影響を受けない装置固有の定数であり、レーザ干渉計の原点とするのに適切な点であるといえる。

この点は、干渉信号が光源波長の影響を受けないことから、波長の異なる二つの光源を用いて干渉信号を得た場合、双方の位相が一致する点となる。この点は、特開２００７−３３３１８号公報（特許文献１）に記載されているとおり、理想的な原点である。また、干渉性の低い光源は波長の異なる各種の光（帯域幅のある光）を含んでおり、それら全ての干渉信号の一致する点で干渉信号の強度が最大となる。このため、この点も、特開２００７−３３３１７号公報（特許文献２）に記載されているとおり、理想的な原点となる。

しかしながら、近接した波長を持つ二つの光源から得られる干渉信号の位相差は、位置に対する変化率が小さく、僅かな位相演算誤差によっても位相差がゼロとなる点が大きく変動するという問題がある。また、干渉性の低い光源の干渉信号の強度が最大となる点も、その位置を精度よく求めることは困難である。つまり、特許文献１や特許文献２に記載された方法は、「原理的に理想的な原点」を探す方法ではあるものの、複数回原点の設定を行った場合の再現性という観点からは必ずしも精度が十分ではない場合があった。

他方、レーザ干渉計は、レーザの発光停止などにより干渉信号の検出が途絶えてしまうと、原点の位置情報の信頼性が失われてしまう。従って、装置を起動する度に原点を設定する必要がある。このため、原点を如何に再現性良く設定するかが課題となる。

ところで、高い干渉性を有する第一の光源から得られる干渉信号の位相は、極めて高い精度かつ再現性良く演算可能である。しかし、硝材厚さの不均一と分散の存在により、この位相と理想的な原点位置とは大きく変動し得る。

そこで本実施例では、レーザ干渉計などの装置構成後の最初の原点計測においては、二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点、又は、干渉性の低い光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点のいずれかを原点に設定する。そして、この時の原点における第一の光源から得られる干渉信号の位相を恒久的に記憶する。

装置の電源を切り再び立ち上げる場合など、以後の原点検出に際しては、原点は次のように設定される。すなわち、最初の原点計測の時と同様に二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点、又は、干渉性の低い光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点のいずれか（最初の原点計測時に原点に設定した方の点）を求める。そして、この点に最も近い、第一の光源から得られる干渉信号の位相が記憶された値と一致する点を原点として設定する。

つまり、再現性の良い第一の光源から得られる干渉信号の位相を基準として、原点の設定を行うのであるが、この位相が記憶された位相と一致する点は２πの周期で複数存在する。このため、本実施例では、「二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点」、又は、「干渉性の低い光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点」を求める。そして、この点に最も近い、第一の光源から得られる干渉信号の位相が記憶された位相と一致する点を求める。このような手法により、複数存在する位相が記憶された位相と一致する点の中からある一つの点を一義的に定めることが可能となる。

従って、仮に二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点、又は、干渉性の低い光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点の再現性が必ずしも十分ではなくても、第一の光源から得られる干渉信号の位相を再現性よく求められる。すなわち、第一の光源から得られる干渉信号の位相の一周期内の範囲で若干変動したとしても、干渉信号の位相が再現性よく求めることができる。この結果、原点を再現性良く設定することが可能となる。

同一の機能は、装置構成後に原点計測を行い、第一の光源から得られる干渉信号の原点における位相を求め、この値を位相演算装置の出力部分で、演算結果に常に加算することによっても実現可能である。

このような手法によれば、原点を波長変動の影響を受けない理想的な位置とする一方で、第一の光源から得られる干渉信号を基準として原点を決定することにより、高精度で再現性よく原点を得ることができる。

図１０は、光源波長が変動した場合における原点位置の説明図である。縦軸は干渉信号の位相を示し、横軸は位置を示している。実線は、光源波長がλ１の場合において、位置に対する干渉信号の位相を示している。また破線は、光源波長がλ２の場合において、位置に対する干渉信号位相を示している。

波長が変化しても干渉信号が変化しない点を原点と定義すると、波長λ１、λ２の直線の交点が原点となる。この交点では、いずれの波長の光源に対しても、干渉信号の位相は同一となる。このため、原点とみなす位相ｄが決定されていれば、光源波長が変動しても、この位相を変更する必要はない。

また、当初設定された位相に誤差ｅがあり、位相ｄ＋ｅが原点として設定された場合、光源波長の変動により原点は移動する。しかしながら、原点付近では、波長の変動に対する位置の変位量は充分に小さい。例えば、光源波長８００ｎｍの１回反射型のレーザ干渉計の場合、原点の計測誤差が干渉信号周期４００ｎｍに対して１％ある場合、その計測結果をそのまま用いた場合の原点の再現性は４ｎｍとなる。干渉信号の位相精度は、一般に信号波長の千分の１程度は確保されており、０．４ｎｍ程度の再現性は期待される。このため、単純に位相差がゼロとなる点を原点とするだけでは、干渉計の計測精度に比べて原点の再現性は一桁劣ることになる。

本実施例の方法によれば、装置組み立て後に設定された原点位置に干渉信号周期の１％の誤差を含む場合、例えば、光源の波長が１０ｎｍ変動した場合の原点位置の変動は０．０５ｎｍに過ぎない。このため、干渉計の計測精度に対して、充分に再現性よく原点位置を求めることができる。

次に、本発明の実施例１の構成を詳細に説明する。

図１は、実施例１におけるレーザ干渉計の全体構成図である。レーザ干渉計は、第一の光源及び第一の光源と波長又は干渉性の異なる第二の光源を用いて被計測物の原点位置を決定する絶対位置の計測装置の一例として示されている。

光源１は、面発光レーザダイオード１−１、高輝度ＬＥＤ１−２、及び、ダイクロイックミラー１−３からなる。面発光レーザダイオード１−１は、干渉性の高い第一の光源として用いられ、波長８５０ｎｍの光を射出する。高輝度ＬＥＤ１−２は、第一の光源より干渉性の低い第二の光源として用いられ、波長８３０ｎｍの光を射出する。面発光レーザダイオード１−１及び高輝度ＬＥＤ１−２から射出された光は、ダイクロイックミラー１−３にて合成される。

面発光レーザダイオード１−１は、図示しない電源回路に接続されており、連続点灯する。一方、高輝度ＬＥＤ１−２は、通常は消灯しており、原点を設定する場合、信号処理装置６からの信号に基づいて点滅するように構成されている。

光源１から射出された光は、偏光ビームスプリッタ２によって分割される。分割された光は、リファレンスミラー３−１及びターゲットミラー３−２で反射される。これらのミラーで反射された光は、再び偏光ビームスプリッタ２で合成される。合成された光は、干渉信号となり干渉信号検出器５で検出、電気信号に変換されて信号処理装置６に導かれる。ここで、双方の光路にはλ／４波長板４−１、４−２が挿入されており、偏光ビームスプリッタ２における透過及び反射を反転している。

次に、本実施例のレーザ干渉計における原点設定の方法について、図２のフローチャートに基づき説明する。

まず、レーザ干渉計の製造後の初回起動時における原点の設定について述べる。

電源をＯＮにし（Ｓ１０）、続いて原点設定のために面発光レーザダイオード１−１に加え高輝度ＬＥＤ１−２を点灯させる。そしてこの二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点、又は、干渉性の低い高輝度ＬＥＤ１−２から得られる干渉信号の強度が最大となる点を計測部により計測する（Ｓ１１）。本実施例では、この計測した点をレーザ干渉計の原点と設定する（Ｓ１２）こととし、以後の原点設定においては、常にこの点を特定し、原点として設定することを目指す。

そのために、位相再現性の良い面発光レーザダイオード１−１の干渉信号の、この点における位相を位相シフト量ＤＰＨとして信号処理装置６内部の記憶手段に記憶する（Ｓ１３）。これで初回の原点設定は終了し、電源をＯＦＦにする（Ｓ１４）。

レーザ干渉計の原点情報は、電源をＯＦＦにすると消滅するため、再度電源をＯＮにすると改めて原点を設定する必要がある。２回目以降の原点設定（原点の再設定）においては、初回に設定した原点と同一の点を原点として設定する必要がある。原点を再現性良く設定するため、２回目以降の原点設定においては位相シフト量ＤＰＨを用いて原点の設定を行う。以下、２回目以降の原点設定について述べる。

まず、電源をＯＮにする（Ｓ１５）。そして、初回原点設定時のＳ１１と同様の方法で、二つの光源から得られるそれぞれの干渉信号の位相が一致する点、又は、干渉性の低い高輝度ＬＥＤ１−２から得られる干渉信号の強度が最大となる点を計測する（Ｓ１６）。この計測により求まる点の再現性が十分良ければ、Ｓ１１とＳ１６では同一の点が求められる。しかしながら、現実には前述の理由により、この測定で求められる点の再現性は必ずしも十分ではない場合があり、その場合、測定の度に求められる点が若干変動し、原点設定の再現性の低下を生じかねない。

このため、２回目以降の原点設定では、Ｓ１６の測定結果とともに信号処理装置６内部に記憶された位相シフト量ＤＰＨを用いることにより、原点の再現性を確保している。

具体的には、面発光レーザダイオード１−１の干渉信号の位相が位相シフト量ＤＰＨと一致し、かつ、Ｓ１６の計測で求められた点に最も近い点を原点として再設定する（Ｓ１７）。尚、ここでいう最も近いとは、位相シフト量ＤＰＨと一致する点がＳ１４の計測で求められた点と一致する場合（Ｓ１１とＳ１６の測定結果が一致した場合）も含むものとする。

面発光レーザダイオード１−１は位相の再現性が十分良いため、特定の点における位相は計測の度に変動すること無く、ほぼ一定と見なすことができる。故に、面発光レーザダイオード１−１の干渉信号の位相が位相シフト量ＤＰＨと一致する点は、Ｓ１１で計測した点又はこの点と光源波長の整数倍離れた位置にある点となる。そしてＳ１６で求められた点に最も近い点とすることで、Ｓ１１で計測した点と同一の点を特定することが可能となる。この点がＳ１７で再設定する原点である。

原点の再設定後は、被測定物の変位測定を行い（Ｓ１８）、終了後、電源をＯＦＦにする（Ｓ１９）。

以後の原点設定においては、Ｓ１５の手順から原点設定を行うことにより、再現性良く原点を設定することが可能となり、被測定物の絶対位置を精度良く測定することが可能となる。

次に、信号処理装置６を詳細に説明する。図３に、信号処理装置６のブロック図を示す。

信号処理装置６には２つの干渉信号Ａ，Ｂが入力される。干渉信号Ａは第一の光源から得られた干渉信号であり、干渉信号Ｂは第二の光源から得られた干渉信号である。干渉信号Ａ，Ｂはそれぞれ、正転及び反転信号が入力されるため、信号処理装置６には合計で４つの干渉信号が入力されることになる。

干渉信号Ａ、Ｂの正転及び反転信号は、インスツルメンタルアンプ６−１−１、６−１−２により差動増幅される。差動増幅された干渉信号Ａ、Ｂは、ＡＤ変換器６−２−１、６−２−２によりデジタル信号に変換される。高輝度ＬＥＤ１−２が点灯している期間は、減算器６−３−１、６−３−２により面発光レーザダイオード１−１の干渉信号予想値が差し引かれる。

位相演算器６−４は、公知の方法により入力された干渉信号の歪みを除去し、位相角を演算によって求める。位相演算器６−４は、第二の光源である高輝度ＬＥＤ１−２の点灯期間において、第二の光源に対する干渉信号の位相を出力する。また、位相演算器６−４は、第一の光源である面発光レーザダイオード１−１のみが点灯している期間において、第一の光源に対する干渉信号の位相を出力する。位相演算器６−４の出力は、一定値である位相シフト量ＤＰＨを減算する減算器６−５を経由して、後段に導かれる。減算器６−５は、第一の光源から得られる干渉信号の位相と記憶装置７−４に記憶された位相との位相差を算出する位相差算出部として用いられる。

信号処理装置６の内部には、第一の光源の干渉信号位相を上位に桁拡張した値を保持するレジスタ６−６が設けられている。第一の光源のみが点灯している期間に、減算器６−９はレジスタ６−６の干渉信号位相に相当する部分を減算器６−５の出力から減算する。この値は、レジスタ６−６の幅に符号拡張されてレジスタ６−６に加算される。レジスタ６−６は、原点再設定部にて再設定された原点位置を基準として第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を求める位置算出部となる。レジスタ６−６は、位相差算出部である減算器６−５により算出された位相差に基づいて被計測物の絶対位置を求める。

また、第一の光源のみが点灯している期間、第一の光源による干渉信号の位相変化量をカルマンフィルタ６−７（指数関数的な重み付けを行う動的一次回帰演算装置）にて処理することにより、速度及びノイズ成分を算出する。

図４に、カルマンフィルタ６−７のブロック図を示す。

ＤＰは、第一の光源に対する干渉信号の最新の位相と前回の位相との差である。ＰＤＰは位相の差ＤＰを格納するためのレジスタである。レジスタＰＤＰは、所定のＰビットだけ右シフトして、位相の差ＤＰを格納する。

レジスタＰＤＰの値からレジスタＦＸの値を減算した値は、レジスタＱに格納される。次に、レジスタＱの値をＰビットだけ右シフトした値をレジスタＰＱに格納する。また、レジスタＱの値からレジスタＰＱの値を減算した値がレジスタＦＸに格納される。

レジスタＰＱの値にレジスタＶＸの値を加算した値は、レジスタＢに格納される。レジスタＢは第一の光源に対する干渉信号の位相変化速度に対応する値である。第二の光源が点灯している期間において、第一の光源に対する干渉信号の位相を更新するために用いられる。

レジスタＢの値をＰビットだけ右シフトした値は、レジスタＰＢに格納される。次に、レジスタＢの値からレジスタＰＢの内容を減算した値が、レジスタＶＸに格納される。

レジスタＦＸの値からレジスタＶＸの値を減算した値Ｃは、回帰係数の回帰式の定数項となる。この定数項は、計測された第一の光源に対する干渉信号の位相に含まれるノイズを除去する目的にも利用できる。

カルマンフィルタ６−７では、位相変化量Δｘが得られたとき、内部に保持された値ｆ_ｘ及びＶ_ｘ，ｋを用いて式（４）〜（８）に示す演算が行われる。これらの演算により、速度ｂ及びノイズｃが求められ、内部に保持する値ｆ_ｘ及びＶ_ｘ、ｋを更新する。

ｑ＝ｆ’_ｘ−ｐΔｘ （４）
ｂ＝Ｖ’_ｘ、ｋ＋ｐｑ （５）
Ｖ_ｘ，ｋ＝（１−ｐ）ｂ （６）
ｆ_ｘ＝（１−ｐ）ｑ （７）
ｃ＝ｆ_ｘ−Ｖ_ｘ，ｋ （８）
ここで、「‘」は前回演算されたことを示している。また、ｐは２^−ｎであり、最新の位相角に対する重み係数を示している。

第二の光源が点灯している期間、カルマンフィルタ６−７は値の更新をしない。このため、速度ｂは、第二の光源の点灯前の最後に更新された値を保持する。そして、この値を符号拡張した値をレジスタ６−６に加算することにより、第一の光源による干渉信号の位相を更新する。この位相情報に基づいて第一の光源による干渉信号の推定値は算出され、減算器６−３−１、６−３−２によりＡＤ変換器６−２−１、６−２−２の出力から差し引かれる。

第二の光源が点灯している期間、位相演算器６−４の出力とレジスタ６−６の下位に保持されている値（位相相当部分）との差は、第一の光源による干渉信号の位相と第二の光源による干渉信号の位相の差に相当する。

光源を点灯した直後は、通常、信号は安定しない。そこで、第二の光源の点滅制御を行う図示しない制御回路は、第二の光源が安定するだけの時間を待ち、これを消灯する直前に位相差採取指令を発生する。この指令により、位相差の積算と積算回数の計数が行われる。

図５は、本実施例における原点設定部７のブロック図である。

原点設定部７は、計測部により計測された点、すなわち、第一の光源から得られた干渉信号の第一の位相と第二の光源から得られた干渉信号の第二の位相とが一致する点を、原点位置として設定する。

位相差の積算は、第一の光源による干渉信号の１周期ごとに行う。干渉信号位相は、いずれの方向にも変動し、また、振動することがある。これに対応して無駄なく効率的に積算を行うため、位相差の積算領域と積算回数の計数領域（ＳＣ１〜ＳＣ３）は、少なくとも３組設けることが好ましい。それぞれの領域は、相互にデータの転送ができるように構成されている。このため、第一の光源による干渉信号が周期をまたいで変化した場合、変化の方向に応じてデータの転送が行われ、末端の領域はゼロクリアされる。

図示しない制御回路から位相差採取指令が発生し、位相差の積算と積算回数の係数が行われると、除算器７−２により積算値が積算回数で除算され、採取された位相差の平均値が算出される。この平均値はレジスタＡ_０に格納される。また、積算回数が所定の値以上であることを示す平均値有効フラグＥＡが保持される。信号振幅が低いなどの異常が発生している場合は積算が行われないため、積算回数が所定の値以上である場合には、レジスタＡ_０に格納された平均値は有効であると扱われる。

平均値及び平均値有効フラグは、第一の光源による干渉信号の周期に対応して、原点位置を算出するために必要な数に２を加えた数の記憶手段（レジスタＡ_１〜Ａ_１０及びレジスタＥ_１〜Ｅ_１０）に保持される。レジスタＡ_１〜Ａ_１０は、第一の位相と第二の位相との位相差を信号の周期毎に平均して、平均した位相差を保持することになる。

これらの領域に保持された値は、積算値などと同様に、第一の光源による干渉信号が周期をまたいで変化した際、変化の方向に応じてデータの転送が行われる。ここで、平均値が有効であることを示すフラグが保持されているレジスタＥ１〜Ｅ１０には、位置を表す値が増加する側に変化した場合と、減少する側に変化した場合に異なる領域に保持するよう、２ビットの幅をもたせる。

図５に示された原点設定部７は、一例として、８つの平均値を一次回帰する構成を有する。これは、原点位置を高精度で求める必要がある場合の例である。高い精度が要求されない場合には、より少ない平均値を用いて一次回帰してもよく、又は、２点の平均値の補間演算により原点位置を演算することも可能である。

レジスタＡ_１〜Ａ_１０に保持された平均値について一次回帰演算を行うことにより、第一の位相と第二の位相の位相差がゼロになる位置を原点位置として設定する。

回帰演算は、演算に用いられる位相差平均値がすべて有効データでありかつ、位相差平均値を蓄積するレジスタ群の中央で位相差がゼロクロスしたときに実行される。この条件は、演算に用いられる平均値に対応する平均値有効フラグＥＡが、位置の増加側又は減少側で全て１であり、かつ、位相差平均値の符号ビットが中央部より位置を表す値の少ない側で負であり、位置を表す値の多い側で正である場合に成り立つ。

回帰演算の結果、位相差のゼロクロス位置が算出され、原点検出フラグが立つ。このときの位相差平均値のレジスタ群の中央に相当するレジスタ６−６の上位値をレジスタ７−１Ａに保持する。図５の例では、位置が増加側であればレジスタ６−６の上位から５を差し引き、位置が減少側であればレジスタ６−６の上位に６を加えた値をレジスタ７−１Ａに保持する。

原点再設定部７−１は、原点位置の位置情報の消滅後に計測部により計測された計測結果と、第一の光源から得られる干渉信号と、位相記憶部としての記憶装置７−４（ＤＰＨ）に記憶された位相とを用いて原点位置を求め、原点を再設定する。

レジスタ７−１Ａに保持された値をレジスタ６−６の上位から差し引くことで、被計測物の絶対位置を計測することができる。

回帰演算により得られた位相差ゼロクロス位置ＤＰＨＸは、記憶装置７−３（レジスタ）に保持され、外部からの指令により、その全て又は一部が位相シフト量ＤＰＨを保持した記憶装置７−４（レジスタ）に加算される。このように、記憶装置７−４は、原点設定部にて設定された原点位置において第一の光源から得られた干渉信号の位相を記憶する位相記憶部として用いられる。

この指令は、装置を組み立てた直後に与えられる。また、位相シフト量ＤＰＨをより精度良く求めるには、位相シフト量ＤＰＨを平均化することが好ましい。平均化の一例としては、最初の原点検出時に位相差ゼロクロス位置ＤＰＨＸの全量を位相シフト量ＤＰＨに加算し、二回目の原点検出時には半分を、また、三回目と四回目は１／４を加算する、などの手法がある。位相シフト量ＤＰＨは、原点設定部７の電源を遮断する前にＰＲＯＭなどの不揮発性の記憶装置に転送するか、又は、ホスト側がその値を読み取り、次回の電源投入の際に記憶装置７−４に再びロードする。

図６は、本実施例における原点位置変動の計測結果を示す図である。この測定結果は、８点回帰を行った際の位相差ゼロクロス位置の変動を示している。変動量の信号周期に対する比率は標準偏差で１％以下であり、波長１０ｎｍに対する原点位置の変動は０．０５ｎｍ以下に抑えられていると考えられる。

次に、本発明の実施例２の構成を詳細に説明する。実施例２は、実施例１の信号処理装置６の構成が異なる。他の構成は実施例１と同様であるため、説明は省略する。

図７は、実施例２における信号処理装置６のブロック図である。本実施例の信号処理装置６はデジタルシグナルプロセッサ４０（ＤＳＰ）を有する。デジタルシグナルプロセッサ４０は、第二の光源による干渉信号の強度が最大となる点を原点位置として設定する原点設定部を備える。

第一の光源と第二の光源が重畳されている期間、減算器６−３−１，６−３−２から出力された信号は、振幅演算器３０に入力される。振幅演算器３０は、第二の光源の振幅の大きさを算出する。振幅値は、第二の光源の２つの入力信号をそれぞれ二乗し、これらの値の和の平方根をとることにより求められる。このようにして得られる振幅値は、第二の光源により得られる干渉信号が正弦波に近似される信号である場合、位相によらず一定の値を示す。ところが、第二の光源から得られる干渉信号のように干渉性の低い信号は、被計測物の原点付近でのみ所定値以上の振幅値を有する。このため、ゲイン、オフセットなどを調整して信号の歪を抑制することは技術的に困難であり、それぞれの信号には大きな歪が含まれる。この結果、演算によって得られる信号の振幅値は、位相の変化に対して大きく変動し、誤差が生じる。

このような誤差は、干渉信号の一周期毎に同じ誤差が繰り返される。このため、位相差を信号一周期にわたって平均すれば、信号歪による誤差は効率よく除去することができる。すなわち、第一の光源から得られる干渉信号の一周期毎に第二の光源から得られる干渉信号の振幅の平均値を求め、この平均値を二次回帰演算することによってピーク位置を求める。計測部は、第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点であるピーク位置を計測し、原点設定部は、このピーク位置を被計測物の原点位置に設定する。

第二の光源から得られる干渉信号は、第一の光源から得られる干渉信号と比較して干渉性が低い。このため、振幅演算器３０にて算出される第二の光源より得られる干渉信号の振幅値は、被計測物の位置又は角度に応じて大きく変化する。

振幅演算器３０にて算出された振幅値は、デジタルシグナルプロセッサ４０に入力される。また、デジタルシグナルプロセッサ４０には、レジスタ６−６に保持された第一の信号の波数（周期）が入力される。

デジタルシグナルプロセッサ４０は、振幅演算器３０で算出された第二の光源により得られる干渉信号の振幅値が所定値以上であるか否かを判定する。デジタルシグナルプロセッサ４０は、この振幅値が所定値以上であると判断すると、この振幅値を第一の光源による得られる干渉信号の波数（周期）をアドレスとする振幅値記憶領域に記憶し、振幅値記憶領域を一つ増加させる。振幅値記憶領域に所定数（例えば、１０点以上）の振幅値が記憶されると、これらの振幅値の平均値を求める。

デジタルシグナルプロセッサ４０は、振幅値の平均値を算出する平均値演算手段を有する。振幅値の平均値は、平均値演算手段により、振幅値記憶領域に記憶された振幅値の和を振幅値の数で除算することにより算出される。算出された平均値は、デジタルシグナルプロセッサ４０の平均値記憶領域に記憶される。

また、デジタルシグナルプロセッサ４０は、演算に必要な平均値が全て平均値記憶領域に記憶されているか否かを判定する。ここで、演算に必要な平均値とは、例えば、振幅のピーク値を中心として連続する１６点の平均値である。デジタルシグナルプロセッサ４０は、演算に必要な平均値を全て保持している場合、公知の二次回帰演算を行う回帰演算手段を有する。回帰演算手段は、平均値演算手段により算出された平均値を用いて二次回帰演算を行う。

また、デジタルシグナルプロセッサ４０は、平均振幅値のピーク位置を算出するピーク位置演算手段を有する。ピーク位置演算手段は、二次回帰演算で求められた第二の信号のピーク位置から被計測物の原点位置を求める。

以上のように、デジタルシグナルプロセッサ４０は、第一の信号の周期毎に、振幅演算器３０により算出された第二の信号の振幅値の平均値を算出する平均値演算手段を有する。また、デジタルシグナルプロセッサ４０は、平均値演算手段により算出された平均値を用いて二次回帰演算を行う回帰演算手段を有する。また、デジタルシグナルプロセッサ４０は、第二の信号のピーク位置を算出して被計測物の原点位置を求めるピーク位置検出手段（計測部）を有する。

このように、ピーク位置演算手段にて求められたピーク位置は、原点設定部において、被計測物の原点位置と決定することができる。位相記憶部である記憶装置７−４（レジスタ）は、原点位置において、第一の光源から得られる干渉信号の位相を記憶する。

デジタルシグナルプロセッサ４０における原点設定部は、第二の光源から得られる干渉信号の強度を平均して、平均した強度をレジスタＡ１〜Ａ１０に保持する。また、レジスタＡ１〜Ａ１０に保持された平均値について二次回帰演算を行い、二次回帰演算の回帰係数から算出されるピーク位置を原点位置として設定する。原点位置の設定方法が異なる以外は、実施例１の構成と同様である。

また、デジタルシグナルプロセッサ４０は、実施例１と同様に原点再設定部を有する。原点再設定部は、原点位置の位置情報の消滅後に計測部により計測された計測結果と、第一の光源から得られる干渉信号と、位相記憶部としての記憶装置７−４に記憶された位相とを用いて原点位置を求め、原点を再設定する。

以上のとおり、上記実施例によれば、原点位置を再現性良く設定可能な絶対位置の計測装置を提供することができる。本実施例の絶対位置の計測装置は、干渉計の構成要素に誤差を含む場合にも正確な原点計測が可能であり、安価に高精度の絶対位置計測装置が構成できる。また、論理演算部分はＬＳＩ化も容易である。また、速度が要求されない場合にはマイクロプロセッサ又はＤＳＰを用いてソフトウエアで実現可能であり、さらに安価に装置を構成することができる。

以上、本発明について、具体的な実施例に基づいて説明した。ただし、本発明は上記実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で適宜変更が可能である。

実施例１におけるレーザ干渉計の全体構成図である。 実施例１における原点の設定方法のフローチャートである。 実施例１における信号処理装置のブロック図である 実施例１におけるカルマンフィルタのブロック図である 実施例１における原点計測部のブロック図である。 実施例１における原点位置変動の計測結果を示す図である 実施例２における信号処理装置のブロック図である。 一般的なレーザ干渉計の主要部の構成図である。 厚さに誤差が生じているプリズムの一例である。 光源波長が変動した場合における原点位置の説明図である。

符号の説明

１−１…面発光レーザダイオード
１−２…高輝度ＬＥＤ
１−３…ダイクロイックミラー
２…偏光ビームスプリッタ
３−１…リファレンスミラー
３−２…ターゲットミラー
４−１、４−２…１／４波長板
５…干渉信号検出器
６…信号処理装置
６−１−１、６−１−２…インスツルメンタルアンプ
６−２−１、６−２−１…ＡＤ変換器
６−３−１、６−３−２…減算器
６−４…位相演算器
６−５…減算器
ＤＰＨ…位相シフト量
６−６…カウンタ
６−７…カルマンフィルタ
７…原点設定部
７−１…原点再設定部
７−３、７−４ 記憶装置
３０…振幅演算器
４０…デジタルシグナルプロセッサ

Claims (5)

1. 第一の光源及び該第一の光源より干渉性の低い第二の光源を用いて被計測物の絶対位置を計測する計測装置であって、
   前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第二の光源から得られる干渉信号の位相とが一致する点、又は、該第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点、を計測する計測部と、
   前記計測部により計測された点を原点位置として設定する原点設定部と、
   前記第一の光源から得られる干渉信号の前記原点位置における位相を記憶する位相記憶部と、
   前記原点位置の位置情報の消滅後に前記計測部により計測された計測結果と、前記第一の光源から得られる干渉信号と、前記位相記憶部に記憶された位相とを用いて前記原点位置を求め、原点を再設定する原点再設定部と、
   前記再設定された原点位置を基準として前記第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を求める位置算出部と、を有することを特徴とする絶対位置の計測装置。
2. 前記絶対位置の計測装置は、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記位相記憶部に記憶された前記位相との位相差を算出する位相差算出部を有し、
   前記位置算出部は、前記位相差算出部により算出された前記位相差に基づいて前記被計測物の絶対位置を求めることを特徴とする請求項１記載の絶対位置の計測装置。
3. 前記原点設定部は、
   前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第二の光源から得られる干渉信号の位相との位相差を信号の周期毎に平均して、平均した該位相差を記憶手段に保持し、
   前記記憶手段に保持された平均値について一次回帰演算を行うことにより、前記位相差がゼロになる位置を前記原点位置として設定することを特徴とする請求項１又は２記載の絶対位置の計測装置。
4. 前記原点設定部は、
   前記第二の光源から得られる干渉信号の強度を平均して、平均した該強度を記憶手段に保持し、
   前記記憶手段に保持された平均値について二次回帰演算を行い、該二次回帰演算の回帰係数から算出されるピーク位置を前記原点位置として設定することを特徴とする請求項１又は２記載の絶対位置の計測装置。
5. 第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を計測する計測方法であって、
   前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第一の光源より干渉性の低い第二の光源から得られる干渉信号の位相とが一致する点、又は、前記第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点を求め、求めた点を原点位置として設定する原点設定工程と、
   前記原点位置における前記第一の光源から得られる干渉信号の位相を記憶する位相記憶工程と、
   前記原点位置の消滅後、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相と前記第一の光源より干渉性の低い第二の光源から得られる干渉信号の位相とが一致する点、又は、前記第二の光源から得られる干渉信号の強度が最大となる点を求め、その求めた点に最も近い、前記第一の光源から得られる干渉信号の位相が前記位相記憶工程において記憶された位相と一致する点を原点位置として再設定する原点再設定工程と、
   前記再設定された原点を基準として、前記第一の光源からの光により生成される干渉信号を用いて被計測物の絶対位置を求める工程と、を有することを特徴とする計測方法。