JP2009236894A - 精密フェーズシフト発生装置と精密長さ測定システム及びその測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の精密フェーズシフト発生装置は、石英材料の低い膨張率や、高い機械品質要素の特徴を利用して、巧妙且つ正確な構造デザインを通じて、精密圧力発生器の作用に基づき、それぞれエタロン自体及びフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームの変移スキャニングを実現し、物の長さに対する精密測定を実現する。
【解決手段】本発明の精密フェーズシフト発生装置は、「圧力スキャニング」原理に基づいてデザインされた「キャビティ長さ可変式」のエタロンとフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームとの一体化装置であり、また、「キャビティ長さ可変式」エタロンのデザインによって、精密変移センサーの自己修正難題が解決されており、精密フェーズシフト発生装置のフェーズシフト測定の正確度を保証することができる。また、本発明は、精密フェーズシフト発生装置によって構成された精密の長さ測定システム及び測定方法をも提供している。
【選択図】図5
Description
固体密度基準に対する研究は主にシリカビーズ密度の測定であるが、密度は質量割り体積であるので、固体密度基準の研究は主にシリカビーズの質量と体積の精密測定に纏められる。その中、体積の測定は課題の研究重点となり、シリカビーズの直径測定と温度測定及び表面酸化層厚さの測定などが含まれるが、その中、温度測定と表面酸化層測定は直径の修正のために行われ、それによって直径測定の正確度を更に向上させることができる。直径の測定には現在通用されている非接触の長さ測定方法―「フェーズシフト法」の長さ測定方法を採用するが、その基本原理は図3に示された通りである。測定プロセスには、エタロンの間の距離L、被測定物表面とエタロンとの間隔L1、L2の初歩的測定が含まれるが、「小数重合法」又は正確度のやや低いその他測定方法によって干渉級数の整数部分Nの測定を実現する(Nの測定は通常の測定技術によって簡単に実現されるので、本発明で検討する範囲ではない)。
現在、世界上では2種の主なフェーズシフト測定方法−「機械スキャニング法」と「レーザー周波数変換法」があるが、いずれも各自の局限性によって精密長さの測定において実質的な突破がない。本発明の精密フェーズシフト発生装置は、新しい技術原理と新しい測定方法に基づき、「圧力スキャニング式」フェーズシフト法によって現在の長さ精密測定方法の極限性を突破し、亜ナノメートルレベルの長さ測定のために基盤を築いている。
フレームとヒンジマイクロ変移プラットホーム及び2枚のエタロンパネルを含んでおり、また、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーと精密圧力発生器を含み、前記エタロンパネルは前記フレームの両アンダー壁の内壁に設置され、キャビティを形成し、
前記エタロンパネルに設置された前記フレームに対応する両アンダー壁には光線通過孔が設置されており、レーザー光束は前記光線通過孔を通じて前記エタロンパネルに着き、前記エタロンパネルによって反射及び透過され、
前記フレームの他の両羽目板任意一の外側壁には精密圧力発生器Pが設置されており、前記精密圧力発生器Pは前記フレームの外側壁に圧力を加え、前記キャビティの長さを変化させ、
前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームはフロントエンドの中部との連結によって一体の構造となっており、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームと前記フレームの連結ポイントの真下には前記ヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加える精密圧力発生器P’が設置され、
前記フレームのリアエンド下部の真中には前記キャビティの長さの変化と前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移を測定する精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板が設置されており、右極板は前記ヒンジマイクロ変移プラットホーム上の台座に設置されていることを特徴とする。
前記エタロンパネルに設置された前記フレームに対応する両アンダー壁には光線通過孔が設置されており、レーザー光束は前記光線通過孔を通じて前記エタロンパネルに着き、前記エタロンパネルによって反射及び透過され、
前記フレームの他の両羽目板任意一の外側壁には精密圧力発生器Pが設置されており、前記精密圧力発生器Pは前記フレームの外側壁に圧力を加え、前記キャビティの長さを変化させ、
前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームはフロントエンドの中部との連結によって一体の構造となっており、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームと前記フレームの連結ポイントの真下には前記ヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加える精密圧力発生器P’が設置され、
前記フレームのリアエンド下部の真中には前記キャビティの長さ変化と前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移を測定する精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板が設置されており、右極板は台座を通じて前記ヒンジマイクロ変移プラットホーム上の台座に固定されており、両極板の間隔は15μmで、お互いに厳しく正対面且つ平行している。
前記光学部品には分光器や、レフレクター、分光プリズム及びCCDなどが含まれており、前記光源から出るレーザー光束は前記分光器によって2束に分けられ、それぞれ両側の前記レフレクターを通じて前記分光プリズムに入るが、前記レーザー光束はそれぞれ前記分光プリズムによって透過されてから前記精密温度制御装置に入り、前記精密フェーズシフト発生装置のエタロンパネルに照らされ、再びそれぞれの前記エタロンパネルによって反射光束と透過光束に分けられるが、前記透過光束は前記精密フェーズシフト発生装置に設置されている被測定物の表面によって反射された反射光束と前記エタロンパネルによって反射された反射光束が干渉が発生する。
前記精密フェーズシフト発生装置中の精密圧力発生器P’は前記精密フェーズシフト発生装置中のヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加え、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームを2μm以上変移させ、前記干渉光のフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移が測定される。
前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記CCDによってシンクロナスに採集された信号は、前記コンピューター制御システムに送られる。
前記コンピューター制御システムは1nmのマイクロ変移間隔で、連続に前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記CCDによるシンクロナス信号を採集し、ファイブサンプルフェーズシフト計算方法によって干渉級数の小数部分εを算出する。
ステップ1:上記精密長さ測定システムを構築し、前記精密長さ測定システムの温度と圧力パラメータが測定条件に適合するまで待ち、確認する。
ステップ2:精密マイクロ変移センサーのオンライン修正を行う。
ステップ3:被測定物の長さを初歩的に測定し、干渉級数の整数部分Nを確定する。
ステップ4:ファイブサンプルフェーズシフト法によって、2枚のエタロンパネルに構成されたキャビティの長さLの小数部分ε0 を測定し、ファイブサンプルフェーズシフト法によって、被測定物両表面と2枚のエタロンパネルとの間隔のL1、L2の小数部分ε1 とε2 を測定する。
ステップ5:被測定長さの干渉級数の小数部分は式e=e0 −(e1 +e2 )によって算出されるが、eは2π加減法によって(0〜2π)の位相範囲に調整する。ビーズ直径の計算式はD=L−L1−L2=(N+e)λ/2であるが、その中λはレーザーの波長である。
ステップ201:連続間隔の変移とシンクロナスに発生される光強度干渉信号の測定は最小二掛算によって1つ又は複数の位相周期の変移値を推定し、直接レーザー波長と比較して精密マイクロ変移センサーに対する初歩的修正を行い、約5nmの正確度を実現する。
ステップ202:ファイブサンプルフェーズシフト計算法によって正確な修正を行うが、ファイブサンプル計算法による正確修正後の精密マイクロ変移センサーの変移測定正確度は0.2nmにも達しる。
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
(a)、最小二掛算による初歩的修正
1nm間隔の連続変移とそれとのシンクロナス光強度干渉信号を測定し、最小二掛算法を利用して1つ又は複数の位相周期の変移値を推定し、直接レーザー波長と比較して精密マイクロ変移センサーに対する初歩的修正を行うが、初歩的修正の正確率は波長の1%ぐらいである。
(b)、改良型のファイブサンプル計算法による正確修正
前記変移と光強度干渉信号を利用して、連続に約1/8波長の間隔で5つのポイント位置と対応する光強度干渉信号を取る。光強度がそれぞれI1 、I2 、I3 、I4 、I5 であり、k1 、k2 、k3 、k4 を第1スタートポイントとし、それから4つのポイント位置と1/8波長に対応する倍数の差を取り、波長を割り2πを掛けることによって位相に転換させるので、相応するストライド制御誤差と呼ぶ。すると、
6.6198、6.6198、6.6193、6.6198、6.6197、6.6199
6.6197、6.6196、6.6196、6.6199、6.6199、6.6199
エタロンキャビティ長さLの測定結果は、次の表1の通りである。
次は、両側ビーズとパネル間隔の干渉級数分数の和である。
4 光線通過孔
5 サイド壁
6 エタロンパネル
7 スクリューノブ
8 上部プラットホーム
10 細長い部分
14 フレーム
15 フレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム
16 アンダー壁
18 台座
19 右極板
20 左極板
101 精密フェーズシフト発生装置
201 光源
202 光学コンポー
203 レフレクター
204 分光プリズム
206 精密温度制御装置
208 シリカビーズ
209 コンピュータ制御システム
Claims (16)
- フレームとヒンジマイクロ変移プラットホーム及び2枚のエタロンパネルを含んでおり、また、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーと精密圧力発生器を含み、前記エタロンパネルは前記フレームの両アンダー壁の内壁に設置され、キャビティを形成し、
前記エタロンパネルに設置された前記フレームに対応する両アンダー壁には光線通過孔が設置されており、レーザー光束は前記光線通過孔を通じて前記エタロンパネルに着き、前記エタロンパネルによって反射及び透過され、
前記フレームの他の両羽目板任意一の外側壁には精密圧力発生器Pが設置されており、前記精密圧力発生器Pは前記フレームの外側壁に圧力を加え、前記キャビティの長さを変化させ、
前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームはフロントエンドの中部との連結によって一体の構造となっており、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームと前記フレームの連結ポイントの真下には前記ヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加える精密圧力発生器P’が設置され、
前記フレームのリアエンド下部の真中には前記キャビティの長さの変化と前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移を測定する精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板が設置されており、右極板は前記ヒンジマイクロ変移プラットホーム上の台座に設置されていることを特徴とする精密フェーズシフト発生装置。 - 前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは、一体に成型されることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記フレームは石英で作られており、前記精密圧力発生器Pが前記フレームに対するサイド壁に対する圧力を除去する場合、前記キャビティの長さは元の長さに回復されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記フレームには前記エタロンパネルが設置されており、前記フレームの両アンダー壁は裏側に突き出されており且つ対称であることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記フレームの両サイド壁の裏側は、アーチ形となっており且つ対称であることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記フレームの裏側の4つの隅には、それぞれ1つの隅孔が設置されていることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記エタロンパネルは、3つのスクリューノブによって前記フレームの対応する両アンダー壁の裏側の突き出された面に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは下部台座と上部のプラットホームの2層の構造となっており、前記下部台座と前記上部プラットホームは一体に成型される細長い部分によって連結されることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 前記左極板と前記右極板の両板は、厳しく正対面且つ平行しており、その間隔が15μmであることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 圧力ローディングパーツを含み、前記圧力ローディングパーツは弓形構造となっており、前記フレームフロントエンドの外側に嵌められており、前記弓形の圧力ローディングパーツの中部には前記フレームアンダー壁中の光線通過孔と連通される光線通過孔が開けられており、前記精密圧力発生器Pは前記弓形圧力ローディングパーツの片方溝中に設置されることを特徴とする請求項1に記載の精密フェーズシフト発生装置。
- 精密フェーズシフト発生装置を含み、また、光源や光学器機、精密温度制御装置とコンピューター制御システムを含んでおり、前記精密フェーズシフト発生装置は前記精密温度制御装置の内部に設置されており、
前記光学器機には分光器や、レフレクター、分光プリズム及びCCDなどが含まれており、前記光源から出るレーザー光束は前記分光器によって2束に分けられ、それぞれ両側の前記レフレクターを通じて前記分光プリズムに入るが、前記レーザー光束はそれぞれ前記分光プリズムによって透過されてから前記精密温度制御装置に入り、前記精密フェーズシフト発生装置のエタロンパネルに照らされ、再びそれぞれの前記エタロンパネルによって反射光束と透過光束に分けられるが、前記透過光束は前記精密フェーズシフト発生装置に設置されている被測定物の表面によって反射された反射光束と前記エタロンパネルによって反射された反射光束との干渉が発生し、
前記精密フェーズシフト発生装置中の精密圧力発生器Pは前記精密フェーズシフト発生装置のフレームのサイド壁の外側に圧力を加え、前記エタロンパネルに構成されたキャビティの長さを1μm以上変化させ、前記干渉光にフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記キャビティの長さの変化が測定され、
前記精密フェーズシフト発生装置中の精密圧力発生器P’は前記精密フェーズシフト発生装置中のヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加え、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームを2μm以上変移させ、前記干渉光のフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移が測定され、
前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記CCDによってシンクロナスに採集された信号は前記コンピューター制御システムに送られ、
前記コンピューター制御システムは連続のマイクロ変移間隔で前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記CCDによるシンクロナス信号を採集し、ファイブサンプルフェーズシフト計算方法によって干渉級数の小数部分εを算出することを特徴とする精密長さ測定システム。 - 精密長さ測定システムの温度と圧力パラメータが測定条件に適合するまで待ち、確認するステップ1と、
精密マイクロ変移センサーのオンライン修正を行うステップ2と、
被測定物の長さを初歩的に測定し、干渉級数の整数部分Nを確定するステップ3と、
ファイブサンプルフェーズシフト法によって、2枚のエタロンパネルに構成されたキャビティの長さLの小数部分ε0 を測定し、ファイブサンプルフェーズシフト法によって、被測定物両表面と2枚のエタロンパネルとの間隔のL1、L2の小数部分ε1 とε2 を測定するステップ4と、
被測定長さの干渉級数の小数部分は式e=e0 −(e1 +e2 )によって算出されるが、eは2p加減法によって0〜2pの位相範囲に調整するステップ5と、
を含んで精密長さ測定システムを構築することを特徴とする精密長さ測定方法。 - 前記ステップ2には、
連続間隔の変移とシンクロナスに発生される光強度干渉信号の測定は最小二掛算によって1つ又は複数の位相周期の変移値を推定し、直接レーザー波長と比較して精密マイクロ変移センサーに対する初歩的修正を行うステップ201と、
ファイブサンプルフェーズシフト計算法によって正確な修正を行うステップ202と、を含むことを特徴とする請求項12に記載の精密長さ測定方法。 - 前記ステップ3中、フェーズシフト法による2枚のエタロンパネルで構成された前記キャビティの長さLの具体的な測定ステップとしては、測定の際、先ず1束の光線を遮り、1束のレーザー光束が1枚のエタロンパネルにて透過及び反射されるようにし、透過光束はもう1枚のエタロンパネルによって反射され、それによって生じる反射光束は前のエタロンパネルによる反射光束と干渉画像が形成されるが、前記干渉画像はCCDによって接収され、コンピューター制御システムに送られ、精密圧力発生器Pによって精密フェーズシフト発生装置中のフレームに圧力を加え、2枚のエタロンパネルによって構成された前記キャビティの長さLを変化させ、圧力スキャニングによってフェーズシフトを発生させ、複数の干渉画像が得られるが、ファイブフェーズシフト計算法によって前記キャビティの長さLが算出されることを特徴とする請求項12に記載の精密長さ測定方法。
- 前記ステップ3には、また、前記エタロンパネルの固定に用いるスクリューノブを回転させて前記キャビティの長さLを調整し、前記エタロンパネルの初位相を調整して、再び前記キャビティの長さを測定するステップを含むことを特徴とする請求項12に記載の精密長さの測定方法。
- 上記ステップ3中、フェーズシフト法によって被測定物の両表面と2枚のエタロンパネルとの間隔L1、L2を測定する具体的なステップとしては、分光器によって分離された2束のレーザー光束はそれぞれ2枚のエタロンパネルによって反射及び透過されるが、透過光束はそれぞれ被測定物の表面によって反射された反射光束と対応するエタロンパネルによって反射された反射光束によって干渉画像を形成されるが、前記干渉画像はCCDによって接収され、コンピューター制御システムに送られ、前記フェーズシフト発生装置中のヒンジマイクロ変移プラットホームのフェーズシフトによって複数の干渉画像が得られるが、ファイブフェーズシフト法によって被測定物の両表面と2枚のエタロンパネルとの間隔L1、L2が算出されることを特徴とする請求項12に記載の精密長さ測定方法。
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