JP3806769B2

JP3806769B2 - Position measuring device

Info

Publication number: JP3806769B2
Application number: JP32354399A
Authority: JP
Inventors: 耕一岩田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2019-11-15
Also published as: JP2001141413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照射光の干渉を利用して被測定物の位置を測定するための位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や測定装置のテーブル等の被測定物の移動を干渉計の利用の下に精密に測定する装置が知られている。最も簡単な構造のものは、図７に示すように、光源部Ａ１からのコヒーレントな平行光をビームスプリッタＡ２により分岐させ、一方の光を被測定物Ｔ上の鏡Ａ３により入射方向と逆方向に反射させ、他方の光を他の鏡Ａ４により入射方向と逆方向に反射させて参照光とし、両反射光の干渉を干渉計Ａ５で計測するものであり、被測定物Ｔが移動したときの干渉縞の変化から、その移動後の位置を測定する。このような光学系を被測定物Ｔの周囲に水平方向に２個以上配置すれば、水平面内での移動位置が測定でき、３次元的に３個以上配置すれば、３次元の移動位置測定を行なうことができる。
【０００３】
しかしながら、この構造のものでは、被測定物の平行移動は測定できるが、被測定物が回転すると照射光の反射方向が変わり、干渉計に到達しないため、測定が不可能となる。
【０００４】
これに対処するものとして、図８に示すようなコーナーキューブを使用する装置がある（この装置も図７と同様に複数の光学系を配置するものであるが、図には１つの光学系のみを示す）。この装置は、前述の鏡に代えてコーナーキューブＡ６、Ａ７を使用している。これにより、被測定物Ｔの移動に回転が加わっても反射光を必ず入射方向に沿って反射させることができるので、平行移動及び回転を伴った移動位置の測定が可能となる。
【０００５】
但し、従来知られているものは、１個の光源部に対して１個のコーナーキューブを使用していた。したがって、被測定物が平行移動により、図８に破線で示すように、コーナーキューブＡ６が照射光から外れる位置に至ると測定が不可能となる。これに対しては、コーナーキューブの寸法を大きくすることにより、測定可能範囲は拡大するが、大寸法のコーナーキューブを精密に製造するのには限界があるので、大きな測定範囲を実現することは困難であった。
【０００６】
また、被測定物の移動に合わせて光源部がコーナーキューブに追随させる仕組みのものも提案されている（特開平７−３３２９２３号公報）。しかしながら、このものは、追随のための構造が極めて複雑で大型になるという欠点があった。
【０００７】
この他、３次元移動を計測する装置として、被測定物の光線方向の変位を干渉によって計測し、光線に垂直方向の変位を画像センサで計測するものが提案されている（特開平４−２９９０９０２号公報）。しかしながら、この装置は、画像センサを用いた計測については、位置測定精度がせいぜい数μm程度に限定され、精密な測定には不向きであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これら従来技術の問題点を解決し、平行移動及び回転を含む被測定物の移動位置をコンパクトな仕組みで測定し得る位置測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の前記目的は、被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とが干渉するように受光する干渉計測部とを備えており、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体中の少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められていることを特徴とする位置計測装置により達成される。
【００１０】
本発明の前記目的はまた、被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とを受光して干渉させる干渉計測部とを備えており、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体の全てが前記光源部からの光線の光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められていることを特徴とする位置計測装置により達成される。
【００１１】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の１実施形態に係る位置計測装置を概略的に示している。
【００１２】
図示の装置は、異なる方向から同じ機構により位置計測を行なう複数の計測用光学系を備えている。図にはその１つの計測用光学系１００の構成を示している。この光学系１００は、コヒーレントな平行光の照射を行なう光源部１と、該光源部からの照射光路中に置かれたハーフミラー（ビームスプリッタ）２と、該ハーフミラーによる反射光路上に配置された被測定物に対し、既知の位置において固定された複数のコーナーキューブ（逆反射体）３と、ハーフミラー２の透過光路上に配置され該光路上の入射光に沿って光を反射する参照光用コーナーキューブ４と、コーナーキューブ３及び４により反射された光をハーフミラー２を経て受光する干渉計測部５とを備えている。
【００１３】
光源部１の照射光束幅及び複数のコーナーキューブの配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、複数のコーナーキューブ中の少なくともいずれか２個がハーフミラー２を経た照射光を該ハーフミラーに向けて反射するように決められており、この例では、照射光束は、直径が１５の円形断面であり、その光束の中に２〜３個（受光角度により変化する）のコーナーキューブが位置するような配置となっている。このため、コーナーキューブは、例えば、入出力面の１辺が約３〜５ｍｍ程度の大きさとされる。尤も、この寸法は、被測定物の大きさ、光束の幅等により適宜決められる。
【００１４】
光源部１は、発光体としてヘリウムネオンレーザ１０を用い、その前方に集光レンズ１１を配置して平行光を照射する構造となっている。ハーフミラー２は、光源部１からの入射光に対して４５度傾斜して配置され、部分的に反射された光の光路上に被測定物及びコーナーキューブ３が配置されている。参照光用のコーナーキューブ４は、ハーフミラー２の透過光路上に配置されている。
【００１５】
図２は、入射光Liに対し、反射光Loが常に平行となるように反射するコーナーキューブCを示している。図１の例において、コーナーキューブ３での反射光は、入射光方向に沿って進行し一部がハーフミラー２を透過して干渉計測部５に至る。また、コーナーキューブ４での反射光は、入射光方向に沿って進行し一部がハーフミラー２により反射されて干渉計測部５に至る。こうして干渉計測部５に至った２つの光は、相互に干渉して干渉縞を形成する。このように、ハーフミラー２及び参照光用コーナーキューブ４は、光源部１からの光線を干渉計測部５に導く参照光生成部を形成している。干渉計測部５は、集光レンズ５０により結像された像を感知するＣＣＤ撮像装置等のイメージセンサ５１と、イメージセンサ５１の出力に基づき干渉縞画像処理をする画像処理装置５２とを備えている。
【００１６】
このような計測用光学系１００は、他の方向から被測定物に光照射をするように複数設けられる。この例では、同じ水平面内にもう１つの計測用光学系１０１が配置されており（図中に矩形枠により概略的に示す）、垂直方向から被測定物に光照射を行なうための同様の計測用光学系が配置されている（図示せず）。
【００１７】
この位置計測装置は、次のように機能する。被測定物及び計測装置を前述のように配置する。以下の説明は光学系１００について行なうが、配置された他の光学系においても同様の機能が奏される。前述の通り、光源部１から発せられた光は、ハーフミラー２で分岐され、コーナーキューブ３及び４で逆反射された光が再びハーフミラー２を経て干渉計測部５に達し、干渉像を形成する。
【００１８】
この状態から、被測定物Ｔが移動すると、参照光用コーナーキューブ４を経る光の光路長に対し、コーナーキューブ３を経る光の光路長が変化し、干渉像もこれに伴って変化する。具体的には、干渉縞が縞幅方向に移動する。したがって、画像上の所定点を移動していく干渉縞の数を数えることにより、コーナーキューブ３への入射光軸方向の移動距離を知ることができ、例えば１０分の１μm程度の精度で計測することができる。そして、前記所定点が干渉縞の間に位置するときは、縞間での位置を求めることにより、さらに測定精度を高めることができる。
【００１９】
被測定物の回転角を計測するには、２個以上のコーナーキューブ３からの反射光の干渉像について測定を行ない、その差に基づいて回転角を算出する。この場合、コーナーキューブ相互の離反距離が大きいほど、回転角の測定精度が良い。なお、被測定物の回転に伴って、入射光に対するコーナーキューブの角度も変化するが、コーナーキューブにより反射される光の光路長は、常にコーナーキューブの頂点を通る光の光路長に等しく、頂点を中心とするコーナーキューブの回転によって変化することがないので、精度良く回転量を測定することができる。
【００２０】
被測定物の平行移動量又は回転量が大きくなると、当初のコーナーキューブ３が照射光束から外れることがある。しかしながら、本実施形態に係る計測装置においては、被測定物の測定すべき移動範囲において、コーナーキューブ３中の少なくともいずれか２個がハーフミラー２を経た照射光を該ビームスプリッタに向けて反射するように決められている。すなわち、１個のコーナーキューブ３が光束から外れても、他のコーナーキューブ３が光束内に進入し、常に２以上のコーナーキューブが光束内で反射可能な状態が保たれる。しかも、各コーナーキューブ３は被測定物Ｔ上の既知の位置に固定されているので、光束から外れたものを含む２個以上のコーナーキューブについての計測を、新たに光束内に進入したものをも含めた２以上のコーナーキューブについての計測に引き継いで、計測を継続することができる。
【００２１】
したがって、被測定物Ｔの最大移動範囲に至ったときにも、照射光束内で反射可能な位置をとるようにコーナーキューブ３を配置しておくことにより、被測定物Ｔの移動の全範囲について計測を行なうことができる。コーナーキューブCを連続的にアレイ状に並べた例を図３に示す。コーナーキューブは、このように連続的に配置してもよいし、照射光束中の反射可能な位置に２個以上のコーナーキューブが常に存在するのであれば、間隔をおいて配置することもできる。図４は、そのような間隔をおいた配置の極端な例を示している。コーナーキューブ３の位置が既知であり、且つ照射光束中の反射可能な位置に２個以上のコーナーキューブ（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）が常に存在するのであれば、図４のように特段の規則性をもって配置されていなくてもよい。
【００２２】
このようにして、１個の計測用光学系により１つの軸方向についての平行移動量及びその軸に垂直な軸回りの回転量の計測が可能となる。したがって、軸線を異にする２個の光学系を被測定物に対して配置することにより、２軸方向の平行移動量及びこれらの軸に垂直な軸回りの回転量を計測することができ、例えば、水平面内での移動を行なう被測定物の計測を行なうことができる。そして、軸線を異にする３個の光学系を被測定物に対して配置すれば、３軸方向の平行移動量及びこれらの軸に垂直な軸回りの回転量を計測することができ、３次元の全ての移動量の計測が可能となる。なお、軸線を異にする場合として、直交軸を選択することも可能であるが、必ずしも軸が直交している必要はなく、各軸線の光学系で移動量が計測できればよい。
【００２３】
図５は、本発明の他の実施形態に係る位置計測装置を示している。この例では、径の大きい光束Ｌ１、Ｌ２を使用すると共に、被測定物Ｔ上の複数のコーナーキューブ３’の全てが照射光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個のコーナーキューブ３’がハーフミラーを経た照射光を該ハーフミラーに向く反射光ＬＬ１、ＬＬ２として反射するように配置されている。水平面内の移動のみを計測する場合は、図５のように平面視円形に配置したコーナーキューブ３’を使用すればよい。３次元での移動を計測する場合は、コーナーキューブ３’も３次元的に配置され、例えば、入出力面が球面又は半球面に沿うように配置された複数のコーナーキューブを使用することができる。
【００２４】
図５のような光束及びコーナーキューブの配置によれば、コーナーキューブが光束内に位置する限り被測定物Ｔがどのように移動しても、コーナーキューブによる逆反射光を生じさせて干渉像を得ることができるので、被測定物の移動量を知ることができる。
【００２５】
以下、本発明に係る装置の計測原理について、図６を参照しつつ詳述する。
(i) 原理
被測定物に対して複数の方向から照射する測定用光線について、ｍ番目の光線の方向（位置計測の方向）の単位ベクトルをＳ_mとする。この方向での測定により、被測定物に複数設置されたコーナーキューブの内、ｎ番目のコーナーキューブでの頂点での移動距離Ｌ_mnが計測される。
【００２６】
被測定物上に固定した原点Ｏを置き、被測定物上に固定されたコーナーキューブｍｎ（ｍ番目の光線照射方向でのｎ番目のコーナーキューブを意味する）の頂点の位置までの位置ベクトルをｒ_mnとする。被測定物上に固定した原点０を置き、被測定物上に固定されたコーナーキューブｍｎの頂点の位置までの位置ベクトルをｒ_mnとする。一方、空間に固定した原点０を置いて、被測定物の平行移動ベクトルをＲ、回転ベクトルをθとする。
【００２７】
初期位置Ｒ＝０、θ＝０での各頂点の位置は、空間固定座標でｒ_mnとなっている。干渉により測られる移動量をＬ_mnとすると、
Ｌ_mn＝Ｓ_m・（Ｒ＋θ×ｒ_mn）
が成り立つ。この場合のＬ_mnは、コーナーキューブｍｎの移動Ｒとθによる干渉計から得られた移動距離である。これを書き換えると、
Ｌ_mn＝Ｓ_m・Ｒ＋（ｒ_mn×Ｓ_m）・θ -----(1)
となる。このＬ_mnは初期位置からの移動量を表す。これが干渉計で測定される量である。
【００２８】
ｒ_mnとＳ_mが分かっており、干渉計からＬ_mnが測定できると、(1)式から、Ｒの３成分とθの３成分を未知数とする１次式が得られる。この１次式の数が６より多ければ、それらの未知数を解く可能性がある。式の数の方が多いときは、最小二乗法を用いればよい。
【００２９】
ただし、精度よく解くためには、方程式の係数のマトリックスのランクが６以上になる必要がある。一般的に言えば、干渉計の光線の方向とコーナーキューブの位置をできるだけ広い範囲に取ればこの条件は満たされると考えられる。
【００３０】
なお、コーナーキューブの姿勢がそろっていなくても、頂角が直角であればもとの方向に光が帰ってくるので、問題とならない。
(ii) 干渉計による測定
干渉計では、
Ｌ_mn＝（ｐ_mn＋ε_mn）λ／２ ------(2)
によって移動量がわかる。ここで、ｐ＋ε（式(2)のｐ_mn＋ε_mn）は、初期値から現在位置に至るまでの干渉縞の縞次数の変化であり、ｐが整数部、εが端数部を表す。
ａ．端数部
移動の間、常に干渉縞を観測していると、その間の明暗の数を数えることで、ｐの値はわかる。これだけで波長の半分（０．３μｍ程度）の精度でＬ_mnはわかる。しかし０．１ｍｍ以下の精度を要求すると、εを知る必要がある。
【００３１】
εを知る方法として、位相シフト法とフーリエ変換法とがある。位相シフト法は、参照光用鏡（コーナーキューブ）を３回以上既知量だけ動かして、それぞれの強度から求める。この場合は、１つのコーナーキューブからの反射光は１カ所だけ測定すればよい。
【００３２】
フーリエ変換法（空間干渉縞法）では、参照光用鏡を傾けて、１つのコーナーキューブの１つの面からの反射の中に１ピッチ以上の干渉縞を入れておき、その位置ずれから求める。この場合は、１つのコーナーキューブからの反射光を多点で測定する。
【００３３】
後者の方が時間がかからないと思われるが、画像上でのコーナーキューブ上の基準点と干渉縞の相対位置の距離を正確に求める必要がある。
【００３４】
たとえば、コーナーキューブの中に数個の縞を入れ、その中の直線上での強度変化を入力する。これから、測定したい位置での位相の端数を求めることができる。
ｂ．整数部
干渉縞の強度変化を画像センサで測定するとすると、現在の画像センサでは１回の測定に１／３０秒の時間がかかる。常に干渉縞の変化を追跡するとすると、移動距離が大きいとき測定に時間がかかることになる。望ましいのは、移動後の干渉縞の強度を測定するだけで、位置と角度が分かることである。
【００３５】
通常の被測定物はあらかじめ与られた量だけ動くように制御されている。そのため、Ｒとθは近似値が分かっている。目標値と移動量の差が干渉縞の１縞以下であれば、制御系からｐが分かるので、本発明装置によってεを求めることにより、より正確な値を迅速に計測することができる。
以上の例では、逆反射体としてコーナーキューブを用いて説明したが、この他キャッツアイ等の種々の逆反射体を使用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された複数の逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とが干渉するように受光する干渉計測部とを備えた位置計測装置において、各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体中の少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められている。
【００３７】
したがって、被測定物の移動の全範囲について、常に少なくとも２個の逆反射体からの反射光を干渉計側部に導くことができる。この１つの光学系により１軸方向の平行移動及びその軸に垂直軸回りの回転の計測を行なうことができる。これに基づき、異なる光軸により被測定物を照射する同様の光学系を配置することにより、２次元及び３次元の移動の計測を行なうことができる。
さらに、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体の全てが前記光源部からの光線の光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決めることができる。これにより、コーナーキューブが光束内に位置する限り被測定物がどのように移動しても、コーナーキューブによる逆反射光を生じさせて干渉像を得ることができ、被測定物の移動量を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係る位置計測装置の概略的な平面図である。
【図２】コーナーキューブの反射形態の説明図である。
【図３】コーナーキューブのアレイ状配置の例を示す正面図である。
【図４】図１に示す装置における逆反射体の配置の他の例の平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る位置計測装置の要部を概略的に示す平面図である。
【図６】図１に示す装置による測定の原理の説明図である。
【図７】従来の位置計測装置の１例を概略的に示す平面図である。
【図８】従来の位置計測装置の他の例を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
１光源部
２ハーフミラー（ビームスプリッタ）
３コーナーキューブ（逆反射体）
４参照光用コーナーキューブ
５干渉計測部
１００，１０１計測用光学系
Ｔ被測定物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position measuring apparatus for measuring the position of an object to be measured using interference of irradiation light.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Devices that accurately measure the movement of an object to be measured such as a table of a machine tool or a measuring device using an interferometer are known. In the simplest structure, as shown in FIG. 7, the coherent parallel light from the light source unit A1 is branched by the beam splitter A2, and one light is reverse to the incident direction by the mirror A3 on the object T to be measured. When the object T is moved, the other light is reflected by the other mirror A4 in the direction opposite to the incident direction and used as a reference light, and the interference between the two reflected lights is measured by the interferometer A5. The position after the movement is measured from the change of the interference fringes. If two or more such optical systems are arranged around the object T in the horizontal direction, the movement position in the horizontal plane can be measured, and if three or more three-dimensional arrangements are arranged, three-dimensional movement position measurement is possible. Can be performed.
[0003]
However, with this structure, the parallel movement of the object to be measured can be measured, but when the object to be measured rotates, the reflection direction of the irradiation light changes and does not reach the interferometer, making measurement impossible.
[0004]
To deal with this, there is a device using a corner cube as shown in FIG. 8 (this device also has a plurality of optical systems as in FIG. 7, but only one optical system is shown in the figure. Showing). This apparatus uses corner cubes A6 and A7 in place of the above-described mirror. Thereby, even if rotation is added to the movement of the object to be measured T, the reflected light can be always reflected along the incident direction, so that it is possible to measure the movement position with parallel movement and rotation.
[0005]
However, conventionally known ones use one corner cube for one light source unit. Therefore, measurement becomes impossible when the object to be measured reaches a position where the corner cube A6 deviates from the irradiation light as shown by a broken line in FIG. 8 due to the parallel movement. On the other hand, by increasing the size of the corner cube, the measurable range is expanded, but since there is a limit to precisely manufacturing a large size corner cube, it is not possible to realize a large measuring range. It was difficult.
[0006]
In addition, a mechanism in which the light source unit follows the corner cube in accordance with the movement of the object to be measured has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 7-332923). However, this has a drawback that the structure for following is extremely complicated and large.
[0007]
In addition, as an apparatus for measuring a three-dimensional movement, an apparatus for measuring a displacement in a light beam direction of an object to be measured by interference and measuring a displacement in a direction perpendicular to the light beam by an image sensor has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 4-2990902). Issue gazette). However, this apparatus is not suitable for precise measurement because the position measurement accuracy is limited to about several μm at most for measurement using an image sensor.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve these problems of the prior art and to provide a position measuring device capable of measuring the moving position of an object to be measured including parallel movement and rotation with a compact mechanism.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is to provide at least two light source units that irradiate the object to be measured with coherent parallel light from different directions and the object to be measured placed in the optical path of the light beam from each light source unit. A retroreflector set at a fixed position, a reference light generation unit that generates reference light that interferes with a light beam reflected by the retroreflector, a light beam reflected by the retroreflector, and the reference light An interference measurement unit that receives light so as to interfere with each other, and the width of the light beam from each of the light source units and the arrangement of the retroreflectors are the plurality of retroreflectors in a moving range of the object to be measured. It is achieved by a position measuring device characterized in that light reflected by at least any two of the retroreflectors is determined to interfere with the reference light.
[0010]
Another object of the present invention is to provide at least two light source units for irradiating the object to be measured with coherent parallel light from different directions and the object to be measured placed in the optical path of the light beam from each light source unit. A retroreflector set at a fixed position, a reference light generation unit that generates reference light that interferes with a light beam reflected by the retroreflector, a light beam reflected by the retroreflector, and the reference light An interference measurement unit that receives and interferes with each other, and the width of the light beam from each of the light source units and the arrangement of the retroreflectors are arranged in the range in which the object to be measured is to be measured. Is determined so that all of the light falls within the light beam width of the light beam from the light source section, and the reflected light from at least one of the two retroreflectors always interferes with the reference light. Achieved by the device.
[0011]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 schematically shows a position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0012]
The illustrated apparatus includes a plurality of measuring optical systems that perform position measurement from different directions using the same mechanism. In the figure, the configuration of one of the measurement optical systems 100 is shown. The optical system 100 is disposed on a light source unit 1 that performs irradiation of coherent parallel light, a half mirror (beam splitter) 2 placed in an irradiation light path from the light source unit, and a reflected light path by the half mirror. A plurality of corner cubes (retroreflectors) 3 fixed at known positions with respect to the measured object, and a reference that is arranged on the transmission light path of the half mirror 2 and reflects light along the incident light on the light path A corner cube 4 for light and an interference measuring unit 5 that receives light reflected by the corner cubes 3 and 4 through the half mirror 2 are provided.
[0013]
The light beam width of the light source unit 1 and the arrangement of the plurality of corner cubes are such that at least any two of the plurality of corner cubes emits the irradiation light that has passed through the half mirror 2 in the moving range of the object to be measured. In this example, the irradiation light beam has a circular cross section with a diameter of 15, and two to three corner cubes (which change depending on the light receiving angle) are located in the light beam. It has become such an arrangement. For this reason, the corner cube has a size of about 3 to 5 mm on one side of the input / output surface, for example. However, this dimension is appropriately determined by the size of the object to be measured, the width of the light beam, and the like.
[0014]
The light source unit 1 has a structure in which a helium neon laser 10 is used as a light emitter and a condenser lens 11 is disposed in front of the helium neon laser 10 to emit parallel light. The half mirror 2 is disposed with an inclination of 45 degrees with respect to the incident light from the light source unit 1, and the object to be measured and the corner cube 3 are disposed on the optical path of the partially reflected light. The corner cube 4 for reference light is disposed on the transmitted light path of the half mirror 2.
[0015]
FIG. 2 shows a corner cube C that reflects so that the reflected light Lo is always parallel to the incident light Li. In the example of FIG. 1, the reflected light from the corner cube 3 travels along the incident light direction, and part of the light passes through the half mirror 2 and reaches the interference measuring unit 5. Further, the reflected light from the corner cube 4 travels along the incident light direction, and a part thereof is reflected by the half mirror 2 to reach the interference measuring unit 5. The two lights that have thus reached the interference measuring unit 5 interfere with each other to form interference fringes. As described above, the half mirror 2 and the reference light corner cube 4 form a reference light generation unit that guides the light beam from the light source unit 1 to the interference measurement unit 5. The interference measuring unit 5 includes an image sensor 51 such as a CCD imaging device that senses an image formed by the condenser lens 50, and an image processing device 52 that performs interference fringe image processing based on the output of the image sensor 51. Yes.
[0016]
A plurality of such measurement optical systems 100 are provided so as to irradiate the object to be measured from other directions. In this example, another measurement optical system 101 is arranged in the same horizontal plane (schematically shown by a rectangular frame in the figure), and the same measurement for irradiating the object to be measured from the vertical direction. An optical system is disposed (not shown).
[0017]
This position measuring device functions as follows. The object to be measured and the measuring device are arranged as described above. The following description will be given with respect to the optical system 100, but the same function is achieved in other optical systems arranged. As described above, the light emitted from the light source unit 1 is branched by the half mirror 2, and the light reflected back from the corner cubes 3 and 4 reaches the interference measurement unit 5 again through the half mirror 2 to form an interference image. To do.
[0018]
When the object T to be measured moves from this state, the optical path length of the light passing through the corner cube 3 changes with respect to the optical path length of the light passing through the reference light corner cube 4, and the interference image also changes accordingly. Specifically, the interference fringes move in the fringe width direction. Therefore, by counting the number of interference fringes moving along a predetermined point on the image, the moving distance in the direction of the incident optical axis to the corner cube 3 can be known, and measured with an accuracy of, for example, about 1/10 μm. be able to. And when the said predetermined point is located between interference fringes, a measurement precision can be improved further by calculating | requiring the position between fringes.
[0019]
In order to measure the rotation angle of the object to be measured, an interference image of reflected light from two or more corner cubes 3 is measured, and the rotation angle is calculated based on the difference. In this case, the greater the distance between the corner cubes, the better the measurement accuracy of the rotation angle. Note that the angle of the corner cube with respect to the incident light changes with the rotation of the object to be measured, but the optical path length of the light reflected by the corner cube is always equal to the optical path length of the light passing through the corner cube. Therefore, the amount of rotation can be measured with high accuracy.
[0020]
When the parallel movement amount or the rotation amount of the object to be measured increases, the initial corner cube 3 may deviate from the irradiation light beam. However, in the measurement apparatus according to the present embodiment, at least any two of the corner cubes 3 reflect the irradiation light that has passed through the half mirror 2 toward the beam splitter in the movement range of the object to be measured. It is decided so. In other words, even if one corner cube 3 deviates from the light beam, the other corner cubes 3 enter the light beam, so that two or more corner cubes can always be reflected in the light beam. Moreover, since each corner cube 3 is fixed at a known position on the object T to be measured, two or more corner cubes including those deviated from the light flux are measured, Measurement can be continued by taking over measurement of two or more corner cubes including
[0021]
Therefore, by arranging the corner cube 3 so as to take a position that can be reflected in the irradiation light beam even when the maximum movement range of the measurement object T is reached, the entire movement range of the measurement object T is obtained. Measurement can be performed. An example in which the corner cubes C are continuously arranged in an array is shown in FIG. The corner cubes may be arranged continuously as described above, or may be arranged at intervals as long as two or more corner cubes are always present at the reflective position in the irradiation light beam. FIG. 4 shows an extreme example of such a spaced arrangement. If the position of the corner cube 3 is known, and there are always two or more corner cubes (3A, 3B, 3C) at positions where they can be reflected in the irradiated light beam, special regularity as shown in FIG. It may not be arranged with.
[0022]
In this way, it is possible to measure the amount of parallel movement in one axial direction and the amount of rotation about an axis perpendicular to the axis by one measuring optical system. Therefore, by disposing two optical systems with different axes on the object to be measured, it is possible to measure the amount of parallel movement in the biaxial direction and the amount of rotation about the axis perpendicular to these axes. For example, it is possible to measure an object to be measured that moves in a horizontal plane. If three optical systems having different axes are arranged with respect to the object to be measured, it is possible to measure the amount of translation in the three axis directions and the amount of rotation about the axis perpendicular to these axes. Measurement of all movements in the dimension is possible. In addition, although it is possible to select an orthogonal axis as a case where the axes are different, the axes are not necessarily orthogonal, and it is only necessary that the movement amount can be measured by the optical system of each axis.
[0023]
FIG. 5 shows a position measuring apparatus according to another embodiment of the present invention. In this example, light beams L1 and L2 having large diameters are used, and all of the plurality of corner cubes 3 ′ on the object T to be measured are within the irradiation light beam width, and at least any two corner cubes 3 ′ are always present. It arrange | positions so that the irradiation light which passed the half mirror may be reflected as reflected light LL1 and LL2 which face to this half mirror. When only the movement in the horizontal plane is measured, a corner cube 3 ′ arranged in a circular shape in plan view as shown in FIG. 5 may be used. When measuring the movement in three dimensions, the corner cube 3 'is also three-dimensionally arranged. For example, a plurality of corner cubes arranged so that the input / output surface is along a spherical surface or a hemispherical surface can be used. .
[0024]
According to the arrangement of the light beam and the corner cube as shown in FIG. 5, no matter how the measured object T moves as long as the corner cube is located within the light beam, retroreflected light is generated by the corner cube and an interference image is formed. Since it can be obtained, the amount of movement of the object to be measured can be known.
[0025]
Hereinafter, the measurement principle of the apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
(i) Principle For a measurement light beam that irradiates the object to be measured from a plurality of directions, a unit vector of the m-th light beam direction (position measurement direction) is S _m . By measuring in this direction, the moving distance L _mn at the apex of the n-th corner cube among the plurality of corner cubes installed on the object to be measured is measured.
[0026]
Place the origin O fixed on the object to be measured, and the position vector to the position of the apex of the corner cube mn (meaning the nth corner cube in the mth light irradiation direction) fixed on the object to be measured. Let _rmn . An origin 0 fixed on the object to be measured is placed, and a position vector up to the vertex position of the corner cube mn fixed on the object to be measured is denoted by r _mn . On the other hand, with the origin 0 fixed in space, the parallel movement vector of the object to be measured is R, and the rotation vector is θ.
[0027]
The position of each vertex at the initial position R = 0 and θ = 0 is r _{mn in} space fixed coordinates. Let L _mn be the amount of movement measured by interference,
L _mn = S _m · (R + θ × r _mn )
Holds. In this case, L _mn is a movement distance obtained from the interferometer by the movement R and θ of the corner cube mn. If you rewrite this,
L _mn = S _m · R + (r _mn × S _m ) · θ ----- (1)
It becomes. This L _mn represents the amount of movement from the initial position. This is the amount measured by the interferometer.
[0028]
When r _mn and S _m are known and L _mn can be measured from the interferometer, a linear expression having the three components of R and the three components of θ as unknowns is obtained from equation (1). If this number of linear expressions is greater than 6, there is a possibility of solving these unknowns. When there are more expressions, the least squares method may be used.
[0029]
However, in order to solve accurately, the rank of the matrix of coefficient of the equation needs to be 6 or more. Generally speaking, it is considered that this condition is satisfied if the direction of the interferometer beam and the position of the corner cube are as wide as possible.
[0030]
Even if the corner cubes are not aligned, there is no problem because the light returns to the original direction if the apex angle is a right angle.
(ii) Measurement with an interferometer
L _mn = (p _mn + ε _mn ) λ / 2 ------ (2)
You can see the amount of movement. Here, p + ε (p _mn + ε _{mn in} Equation (2)) is a change in the fringe order of the interference fringes from the initial value to the current position, where p represents an integer part and ε represents a fractional part.
a. If the interference fringes are always observed during the fractional part movement, the value of p can be obtained by counting the number of light and dark during that time. With this alone, L _mn can be determined with an accuracy of half the wavelength (about 0.3 μm). However, if an accuracy of 0.1 mm or less is required, it is necessary to know ε.
[0031]
As a method of knowing ε, there are a phase shift method and a Fourier transform method. In the phase shift method, the reference light mirror (corner cube) is moved three times or more by a known amount, and obtained from each intensity. In this case, it is only necessary to measure the reflected light from one corner cube at one location.
[0032]
In the Fourier transform method (spatial interference fringe method), the reference light mirror is tilted, interference fringes of one pitch or more are put in the reflection from one surface of one corner cube, and the position deviation is obtained. In this case, the reflected light from one corner cube is measured at multiple points.
[0033]
Although the latter seems to take less time, it is necessary to accurately obtain the distance between the reference point on the corner cube on the image and the relative position of the interference fringes.
[0034]
For example, several stripes are put in a corner cube, and the intensity change on a straight line is input. From this, the fraction of the phase at the position to be measured can be obtained.
b. If the intensity change of the integer part interference fringes is measured by the image sensor, it takes 1/30 second to measure once in the current image sensor. If the change of interference fringes is always tracked, it takes time to measure when the moving distance is large. Desirably, the position and angle can be known only by measuring the intensity of the interference fringes after movement.
[0035]
A normal object to be measured is controlled to move by a predetermined amount. Therefore, approximate values of R and θ are known. If the difference between the target value and the movement amount is equal to or less than one fringe of the interference fringes, p can be known from the control system, so that a more accurate value can be quickly measured by obtaining ε by the device of the present invention.
In the above example, the corner cube is used as the retroreflector, but various other retroreflectors such as a cat's eye can be used.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least two light source units that irradiate the object to be measured with coherent parallel light from different directions, and the measurement target placed in the optical path of the light beam from each light source unit A plurality of retroreflectors set at fixed positions with respect to an object, a reference light generation unit that generates reference light that interferes with a light beam reflected by the retroreflector, and a light beam reflected by the retroreflector; In the position measuring device including an interference measuring unit that receives light so that the reference light interferes, the width of the light beam from each light source unit and the arrangement of the retroreflector are within a moving range of the object to be measured. The reflected light from at least any two of the plurality of retroreflectors is determined to interfere with the reference light.
[0037]
Therefore, the reflected light from at least two retroreflectors can be always guided to the interferometer side for the entire range of movement of the object to be measured. With this single optical system, it is possible to measure parallel translation in one axial direction and rotation around the axis perpendicular to the axis. Based on this, two-dimensional and three-dimensional movement can be measured by arranging a similar optical system that irradiates the object to be measured with different optical axes.
Further, the width of the light beam from each light source unit and the arrangement of the retroreflectors are such that all of the plurality of retroreflectors are within the beam width of the light beam from the light source unit in the movement range of the object to be measured. And the reflected light from at least any two of the retroreflectors can always be determined to interfere with the reference light. As a result, no matter how the object to be measured moves as long as the corner cube is located within the light beam, the interference image can be obtained by generating retro-reflected light by the corner cube and know the amount of movement of the object to be measured. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a reflection form of a corner cube.
FIG. 3 is a front view showing an example of an array arrangement of corner cubes.
4 is a plan view of another example of the arrangement of retroreflectors in the apparatus shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a plan view schematically showing a main part of a position measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
6 is an explanatory diagram of the principle of measurement by the apparatus shown in FIG.
FIG. 7 is a plan view schematically showing an example of a conventional position measuring apparatus.
FIG. 8 is a plan view schematically showing another example of a conventional position measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Light source 2 Half mirror (beam splitter)
3 Corner cube (retroreflector)
4 Corner cube for reference light 5 Interference measuring section 100, 101 Measuring optical system T Device under test

Claims

At least two light source units for irradiating the object under measurement with coherent parallel light from different directions, and a fixed position with respect to the object to be measured placed in the optical path of the light beam from each light source unit A plurality of retroreflectors, a reference light generation unit that generates reference light that interferes with a light beam reflected by the retroreflector, and a light beam received by the reference light so that the light beam reflected by the retroreflector interferes with the reference light. And an interference measurement unit that
The width of the light beam from each light source unit and the arrangement of the retroreflectors are reflected light from at least two retroreflectors of the plurality of retroreflectors in the movement range of the object to be measured. Is determined so as to interfere with the reference light.

At least two light source units for irradiating the object under measurement with coherent parallel light from different directions, and a fixed position with respect to the object to be measured placed in the optical path of the light beam from each light source unit A plurality of retroreflectors, a reference light generation unit that generates reference light that interferes with the light beam reflected by the retroreflector, and the light beam reflected by the retroreflector and the reference light are received and interfered with each other. With an interference measurement unit,
The width of the light beam from each light source unit and the arrangement of the retroreflectors are such that all of the plurality of retroreflectors fall within the beam width of the light beam from the light source unit in the movement range of the object to be measured. In addition, the position measuring device is characterized in that it is determined so that the reflected light from at least any two retroreflectors always interferes with the reference light.