JP2011017582A - 光干渉計を用いた変位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動部に傾きが生じても、細かい干渉縞の発生を防止することが可能な変位計測装置を提案する。
【解決手段】 変位計測装置１は、第一のベース２と、第一のベース２に対して可動に設置された第二のベース３と、を有している。第一のベース２には、光源４と、光源４から照射される光を測定光と基準光とに分岐するビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５からの基準光を第一の反射板６の方に向けて反射する第三の反射板８と、第一の反射板６で反射された基準光と第二の反射板７で反射された測定光との干渉光を検出する光検出器９およびλ／４波長板１０が設けられている。第二のベース３には、反射面が第二の反射板７の反射面と平行に設置されている第一の反射板６およびビームスプリッタ５からの測定光を反射する第二の反射板７が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光干渉計を用いた変位計測装置に関するものであり、ｎｍレベルの微小変位が計測可能な変位計測装置に関するものである。

距離または変位量を測定するために、レーザ干渉計が広く使用されている。このような干渉計としては、図８に示すように、レーザ光等の光源３４と、該光源３４から照射された光を基準光と測定光とに分割するとともに反射された基準光および測定光を干渉させるビームスプリッタ３５と、該ビームスプリッタ３５からの基準光を反射する基準反射板３６と、前記ビームスプリッタ３５からの測定光を反射する測定反射板３７と、前記基準光と前記測定光との干渉光を検出する光検出器３９と、を有している。

このようなレーザ干渉計を用いた変位計測装置３１は、図８に示すように、固定部３２に光源３４と、ビームスプリッタ３５、３５’と、光検出器３９と、基準反射板３６と、が設けられ、可動部３３に測定反射板３７が設けられている。そして例えば板材のような被測定物に固定部３２及び可動部３３を設置して使用される。そして被測定物がブロック矢印の方向に変形すると、可動部３３とともに測定反射板が変位して、図９に示すように、干渉光の波面が変化し、光検出器で検出される干渉光の光強度が変化する。測定に用いる光の波長をλとすると、測定反射板が１波長λ変位すると、明→暗→明または暗→明→暗のように明暗の変化が２回発生する。よって、明暗の変化の回数ｎを検出することにより、
変位量＝ｎ×λ／２・・・（１）
の式を用いて変位量を計測することができる。

特開２００７−２７１６２４号公報

しかしながら、このような変位計測装置３１は次のような問題点があった。図１０に示すように、可動部３３に傾きが生じた場合、測定反射板３７に傾きが生じて、図１１に示すように、測定光の反射光の波面と基準光の反射光との間に傾きが生じる。そしてこの波面の傾きによって細かい干渉縞が発生する。この干渉縞が発生すると、上記式（１）による変位量の計測ができなくなってしまう。

そこで本発明では、可動部に傾きが生じても、細かい干渉縞の発生を防止することが可能な変位計測装置を提案する。

本発明では第一の解決手段として、光干渉計を用いた変位計測装置において、第一のベースと、該第一のベースに対して可動に設置された第二のベースと、を有し、前記第一のベース上には、光源と、該光源から照射された光を基準光と測定光とに分岐させるビームスプリッタと、前記基準光と前記測定光との干渉によって生じた干渉縞を検出する検出器と、が設けられており、前記第二のベース上には、前記基準光を反射する第一の反射板と、前記測定光を反射する第二の反射板と、が設けられており、前記第一の反射板の反射面と前記第二の反射板の反射面は互いに平行になるように設置されており、前記第一の反射板と前記第二の反射板のいずれか一方は、前記第一のベースに設けられた第三の反射板を介して、前記ビームスプリッタからの光が照射される変位計測装置を提案する。

ビームスプリッタで分岐された基準光と測定光は、光軸が互いに垂直になる。ここで、基準光または測定光のどちらか一方を第三の反射板に照射することにより、基準光と測定光の光軸が互いに平行になる。このことにより、第一の反射板の反射面と第二の反射板の反射面とを互いに平行なるように設置することができる。第一の反射板と第二の反射板は、両方とも第二のベースに設けられており、反射面が互いに平行になるように設けられているので、基準光の波面と測定光の波面とが常に互いに平行となる。よって、上記第一の解決手段により、波面の傾きによる細かい干渉縞の発生を防止することができる。

また、本発明では第二の解決手段として、上記第一の解決手段に加えて、前記第一の反射板の反射面と、前記第二の反射板の反射面と、が略同一方向となるように設置されている変位計測装置を提案する。このような構成であれば、角度検出が可能になる。また、第二のベースを小さくすることができるので、装置の小型化が可能になる。なお、この場合、第一の反射板と第二の反射板を一体化、すなわち一枚の反射板としてもよい。また、第一の反射板の反射面と第二の反射板の反射面のいずれか一方に段差を設けてもよい。これにより、第二のベースの変位の方向を検出することができる。この場合、検出器はセンサ部分が複数に分割されているものが好ましい。

本発明によれば、可動部に傾きが生じても、細かい干渉縞の発生を防止することが可能になる。これにより、ｎｍレベルの微小変位が計測可能な変位計測装置を得ることができる。

本発明の変位計測装置の第一の例を示す模式図である。 図１の変位計測装置において、可動部に傾きが生じたときの様子を示す模式図である。 本発明の変位計測装置の第二の例を示す模式図である。 本発明の変位計測装置の第二の例の変形例を示す模式図である。 図４の光検出器で観測される信号をオシロスコープで観察した図である。 本発明の変位計測装置の第二の例の変形例を示す模式図である。 本発明の変位計測装置の第二の例の別例を示す模式図である。 従来の変位計測装置を示す模式図である。 基準光と測定光の干渉の様子を示す模式図である。 従来の変位計測装置の問題点を示す模式図である。 図１０に示す状態のときの基準光と測定光の干渉の様子を示す模式図である。

本発明の変位計測装置に係る実施形態について、図面に基づいて説明する。まず、図１に本発明の変位計測装置の第一の例を示す。

変位計測装置１は、光源４と、光源４から照射される光を測定光と基準光とに分岐するビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５からの測定光を反射する第二の反射板７と、反射面が第二の反射板７の反射面と平行に設置されている第一の反射板６と、ビームスプリッタ５からの基準光を第一の反射板６の方に向けて反射する第三の反射板８と、第一の反射板６で反射された基準光と第二の反射板７で反射された測定光との干渉光を検出する光検出器９と、光源４からの光を透過し干渉光を光検出器９の方へ反射するビームスプリッタ５’と、を備えている。また、必要に応じてλ／４波長板１０を設けてもよい。

変位計測装置１は、第一のベース２と、第一のベース２に対して可動に設置された第二のベース３と、を有している。第一のベース２には、光源４、ビームスプリッタ５、５’、第三の反射板８、光検出器９およびλ／４波長板１０が設けられている。第二のベース３には、第一の反射板６および第二の反射板７が設けられている。以下、第一のベース２を固定部、第二のベースを可動部として説明するが、第一のベース２を可動部、第二のベース３を固定部としてもよい。

光源４としては、レーザ光が用いられる。光源４には、図示しないがコリメータレンズ等のレンズ類も含む。光源４は、図示しない制御手段によって、制御される。

ビームスプリッタ５、５’には、プリズム等が用いられる。なお、本実施形態においては、光源４からの光を基準光と測定光とに分岐するビームスプリッタ５と、干渉光を光検出器９の方へ反射するビームスプリッタ５’の２つのビームスプリッタを用いているが、両方の作用をひとつのビームスプリッタにもまとめてもよい。

光検出器９としては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の、光の強弱を電気信号に変換する光電変換素子が用いられる。光検出器９は、図示しない信号処理手段と接続されている。光検出器９で発生した電気信号は、図示しない信号処理手段によって処理されて、明暗の変化の回数への変換を経て、第二のベースの変位量に変換される。なお、光検出器９は、センサ部分が２分割あるいはそれ以上の複数の部分に分割されたものを用いてもよい。

第一の反射板６、第二の反射板７および第三の反射板８としては、反射鏡の他、反射率の高い金属板や、樹脂板等が使用される。第一の反射板６と第二の反射板７は、第二のベース３に設けられ、反射面が互いに平行になるように設置されている。ビームスプリッタ５で分岐される測定光と基準光は、互いに直角方向に分岐されるので、いずれか一方は第三の反射板８によって光の方向を変える必要がある。図１では第一の反射板６とビームスプリッタ５との間に第三の反射板８が設けられており、基準光の方向を変えるようにしている。場合によっては、第二の反射板７とビームスプリッタ５との間に第三の反射板８を設けて、測定光の方向を変えるようにしてもよい。第三の反射板８は、第一のベース２に設置されているので、ビームスプリッタ５との位置関係や反射角度は一定になる。

λ／４波長板１０は、必要に応じて設けてもよい。光源４から照射された光は、λ／４波長板１０を通過して、λ／４の位相をもつ円偏光になる。第一の反射板６および第二の反射板７によって反射された光は、λ／４波長板１０を通過して、円偏光から直線偏光になる。偏光プリズム５’を挿入する場合は、光のロスを抑えることができるのでλ／４入れると好ましい。反射ミラーから直線偏光になって戻ってきた光は、偏光プリズム５’に入射したときに、光源の直線偏光の角度と９０度異なる偏光角で入射するため、偏光プリズムでほぼ全光量が反射されて、光検出器９に入射する。

このような変位計測装置１の作用について、図２に基づいて説明する。図２に示すように、第二のベース３に傾きが生じると、それに伴って第二の反射板７の反射面も傾きを生じる。しかし、第一の反射板６も第二のベース３に設置されているので、第一の反射板６の反射面にも傾きを生じる。第一の反射板６と第二の反射板７の傾きは同じになるので、互いの反射面は常に平行に保たれる。よって基準光の反射光の波面と測定光の反射光の波面との間には傾きが生じない。

第一の反射板６で反射された基準光は、第三の反射板８で方向を変えられて、ビームスプリッタ５を通過して、ビームスプリッタ５’によって光検出器９の方へ照射される。第二の反射板７で反射された測定光は、ビームスプリッタ５によって方向を変えられ、ビームスプリッタ５’によって光検出器９の方へ照射される。第三の反射板８とビームスプリッタ５は、第一のベースに設置されており、反射角度も一定なので、第一の反射板６で反射されかつ第三の反射板８で反射された測定光の反射光と、第二の反射板で反射されかつビームスプリッタ５で反射された測定光は、互いの波面に傾きが生じない。

基準光の波面と測定光の波面との間に傾きが生じないので、細かい干渉縞が発生しない。これにより、第二のベース３に傾きが生じても、上記（１）式によって変位を計測することが可能になる。

次に、本発明の変位計測装置の第二の例について説明する。図３に本発明の変位計測装置の第二の例の構造を示す。

第二の例の変位計測装置１１は、第二のベース１３に設けられた第一の反射板１６の反射面と第二の反射板１７の反射面とが、略同一方向になるように設置されている点で、第一の例の変位計測装置１と異なる。

このような構成では、第一の反射板１６と第二の反射板１７とを並べて設置することができるので、第一の例の変位計測装置１の第二のベース２よりも、第二の例の変位計測装置１１の第二のベース１３を小さくすることができる。その結果、変位計測装置全体を小型化することが可能となる。

なお、第一の反射板１６の反射面と、第二の反射板１７の反射面と、が同一面上になるように設置してもよいが、図４に占めすように、第一の反射板１６の反射面と、第二の反射板１７の反射面のいずれか一方に段差１６ａを設置してもよい。

例えば、図４に示すように、段差１６ａによって、第一の反射板１６は２つに分けられ、半分の側に対して、もう半分の側にλ／８の段差が設けられる。これにより、図５に示すように、λ／４の位相差を有する２つの干渉光ＡおよびＢが発生する。図５は、２分割された光検出器１９で読み取られた信号をオシロスコープで観察したものである。図４において、第二のベース１３が図面の上下方向に変位した場合、一方の方向に変位すると、図５（ａ）に示すように、干渉光Ａが干渉光Ｂよりλ／４先行する信号が光検出器１９で検出される。また、他方の方向に変位すると、図５（ｂ）に示すように、干渉光Ａが干渉光Ｂよりλ／４遅れる信号が光検出器１９で検出される。このように、２分割された光検出器１９のそれぞれのセンサに発生する位相差を検出することによって、第二のベース１３の変位の方向を判別することができる。

また、第一の反射板１６の反射面と、第二の反射板１７の反射面と、を同一面上にするように設置する場合、図６に示すように、第一の反射板と第二の反射板とを一体化した反射板１６’を用いてもよい。第一の反射板と第二の反射板とを分割して設置した場合、互いの角度を合わせることが必要である。用いる光の波長が短くなると、角度の調整が非常に厳しくなる。しかし、一体化した反射板１６’では、角度の調整が容易になるので、角度の調整が厳しい短波長の光を用いる変位計測装置に有効である。

また、第二の例の変形例を図７に示す。図７に示す第二の例の変形例の変位計測装置２１は、ビームスプリッタ２５で分岐した測定光を第三の反射板２８によって方向を変えて、第二の反射板２７に照射する点と、第一の反射板２６および第二の反射板２７が、被測定物に対して垂直に設置されている点で、第二の例の変位計測装置１１と異なる。このような構成では、被測定物がブロック矢印の方向に変形したときの変位角度を計測することができる。

被測定物がブロック矢印の方向に変形すると、第二のベース２３と第一のベース２２との間に傾きを生じる。この場合、第一の反射板２６と第二の反射板２７は、反射面が略同一面になるように設置されているので、反射光の波面には傾きは生じない。一方、第二の反射板２７は、第一の反射板２６よりも被測定物から離れているので、被測定物の変形による移動量は、第一の反射板２６よりも第二の反射板２７のほうが大きくなる。

変位計測装置２１は、基準光を反射する第一の反射板２６と測定光を反射する第二の反射板２７との移動距離の差を検出できる。光検出器２９で検出された明暗の変化の回数から移動距離の差を求める。そして、第一の反射板２６に照射された基準光のスポットと、第二の反射板２７に照射された測定光のスポットとの距離を求めることにより、変位角度を算出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態に限定されることはなく、本発明の技術範囲内で、種々の変更が可能である。

１、１１、２１、３１ 変位計測装置
２、１２、２２、３２ 第一のベース（固定部）
３、１３、２３、３３ 第二のベース（可動部）
４、１４、２４、３４ 光源
５、５’、１５、１５’、２５、２５’、３５、３５’ ビームスプリッタ
６、１６、２６、３６ 第一の反射板（基準反射板）
１６’ 一体化された反射板
１６ａ 段差
７、１７、２７、３７ 第二の反射板（測定反射板）
８、１８、２８ 第三の反射板
９、１９、２９、３９ 光検出器
１０、２０、３０、４０ λ／４波長板

Claims (4)

1. 光干渉計を用いた変位計測装置において、
   第一のベースと、
   該第一のベースに対して可動に設置された第二のベースと、を有し、
   前記第一のベース上には、光源と、該光源から照射された光を基準光と測定光とに分岐させるビームスプリッタと、前記基準光と前記測定光との干渉によって生じた干渉縞を検出する検出器と、が設けられており、
   前記第二のベース上には、前記基準光を反射する第一の反射板と、前記測定光を反射する第二の反射板と、が設けられており、
   前記第一の反射板の反射面と前記第二の反射板の反射面は互いに平行になるように設置されており、
   前記第一の反射板と前記第二の反射板のいずれか一方は、前記第一のベースに設けられた第三の反射板を介して、前記ビームスプリッタからの光が照射される
   ことを特徴とする変位計測装置。
2. 前記第一の反射板の反射面と、前記第二の反射板の反射面と、が略同一方向になるように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。
3. 前記第一の反射板の反射面と前記第二の反射板の反射面が一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の変位計測装置。
4. 前記第一の反射板の反射面と、前記第二の反射板の反射面のいずれか一方に、段差が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。
   

Images