JP3937798B2 - 干渉計及び位置計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計及び位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、光源として半導体レーザーを使用した従来の干渉計の概略構成を示す図である。半導体レーザー１aから射出された波長λのレーザー光束２０は、コリメーターレンズ２aで平行光とされた後、偏光ビームスプリッター４に入射して測定光２０aと参照光２０bに分割される。光束２０aは、１／４λ板５ｂを透過した後、集光レンズ６により被測定物７に集光される。一方、偏光ビームスプリッター４で反射された光束２０ｂは、１／４λ板５aを透過した後、参照鏡８で反射される。被測定物７、参照鏡８で反射された両光束は、再び１／４λ板５ｂ，５ａをそれぞれ透過した後、測定光は偏光ビームスプリッター４で反射され、参照光は偏光ビームスプリッター４を透過して、それらは合波光束２１となって１／４λ板５ｃに入射する。
【０００３】
光束２１はそれを構成する測定光及び参照光のうち測定光のみが変調されているので、１／４λ板５ｃを透過した光束は直線偏光の偏光方向が回転する。その後、光束は非偏光ビームスプリッター１０に入射し光束２２、２３に分割される。その後、光束２２、２３は、それぞれ互いに４５度光学軸を傾けた偏光板１１a、１１bを通過して光電センサー１２ａ、１２ｂに入射する。これにより、光電センサー１２ａ、１２ｂでは、互いに９０度位相の異なる図４に示すようなサイン波信号（以後、一方をA相信号、他方をB相信号と呼ぶ）が生じる。被測定物７の変位に応じて光束２１の偏光方向が回転するので、被測定物７の変位に応じて信号値が変化するλ／２を一周期とするサイン波信号が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような干渉を利用した変位計は、例えば、回転している軸等を測定するために使用されうる。傷等の散乱部分にレーザー光を照射すると、その反射光に様々な位相の光束が混在することにより、これに起因してスペックルパターンが生じる。スペックルパターンとは、光の粒状パターンである。スペックルパターンと参照光とを干渉させた場合、複数のスペックルのそれぞれの干渉信号がランダムな位相を持つためにセンサー上の干渉光信号が平均化され、いわゆるドロップアウト状態になる。
【０００５】
被検体物７の変位は、光電センサーからのA相、B相のサイン波信号をカウンターでカウントしたカウント値と、A相とB相の位相情報に基づいて計算されうる。したがって、ドロップアウト時には変位情報の計算に必要なカウント値が更新されないので、信号が復活するまでに被検物体７がカウンター作動距離以上の変位をしていると、その分は誤差となる。回転する軸では一回転ごとに同一部分でドロップアウトが生じ、また軸の挙動は回転に同期した軸ぶれが大部分を占めるため、ドロップアウト時に軸はほぼ同じ様な挙動を示す。よって、一回転ごとにドロップアウト時の誤差が累積され無限にずれていく。
【０００６】
以上のように、回転体の測定では誤差が無限に累積していくという問題を抱えていた。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、例えば、ドロップアウトに起因する誤差の発生を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面は、測定光束を被検体物で反射させ、参照光束を参照鏡で反射させ、両反射光束を合波して合波光束とし、該合波光束より干渉光束を得る干渉光学系を有する干渉計に係り、第１、第２波長を含むレーザー光束を分割して、前記測定光束及び前記参照光束として、前記第１、第２波長をそれぞれ含む測定光束及び参照光束を生成する光学系と、前記第１、第２波長を含む干渉光束により前記第１、第２波長についてそれぞれ形成される第１、第２明暗パターンをそれぞれ電気信号に変換する第１、第２光電センサーとを備え、前記レーザー光束の可干渉距離をＬ、前記第１波長をλ１、前記第２波長をλ２としたときに、
λ１×｛λ１÷（λ２−λ１）｝／２≧Ｌ
を満たすことを特徴とする。
【０００９】
本発明の好適な実施形態によれば、前記レーザー光束を形成するための光源は、２つのマルチモードレーザーを含みうる。
【００１０】
本発明の好適な実施形態によれば、前記干渉計は、前記第１、第２光電センサーに前記第１、第２波長の光束をそれぞれ入射させるための第１、第２バンドパスフィルターを更に備えうる。
【００１５】
本発明の位置計測装置は、上記の干渉計を利用して被検体物の位置を計測することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の好適な実施の形態に係る、半導体レーザーを利用した干渉計（位置計測装置）の概略構成を示す図である。なお、図１において、図３と同様の構成要素には同一の符号が付されている。
【００１８】
波長λ１のレーザー光を発生する半導体レーザー１ａから射出されたレーザー光束２０ａは、コリメーターレンズ２ａで平行光束にされた後、偏光ビームスプリット面３ａを透過する。一方、波長λ２のレーザー光を発生する半導体レーザー１ｂは、偏光方向が半導体レーザー１ａと垂直方向になるように設置されている。半導体レーザー１ｂから射出されたレーザー光束２０ｂは、コリメーターレンズ２ｂで平行光束にされた後、偏光ビームスプリット面３ａで反射される。偏光ビームスプリット面３ａを透過した光束と偏光ビームスプリット面３ａで反射された光束とは合波されλ１、λ２が混在する光束２０となり、その後、偏光ビームスプリット面３bでＰ波とＳ波に分離される。偏光ビームスプリット面３bで反射された光束は、参照光束２１となり１／４λ波長板を透過して反射ミラー４で反射される。一方、偏光ビームスプリット面３bを透過した光束は、測定光束２２として１／４λ波長板５ｂを透過して集光レンズ６で集光されて被検物体７に照射される。このとき、測定光２２は被検物体７の反射面に集光される。
【００１９】
被検物体７の反射面で反射された光束２２は、反射前と同一の光路を通ってビームスプリット面３ｂに入射し、今度は反射される。一方、参照光束２１は、反射ミラー４で反射された後、反射前と同一の光路を通ってビームスプリット面３bに入射し、今度は透過して測定光と合波され光束２３となる。光束２３は、その後、非偏光ビームスプリッター８に入射し、反射光は光束２４、透過光は光束２５となる。
【００２０】
ここで、光束２２の集光点を参照光束２１が反射される反射面４と波動光学的な等光路長になるように集光レンズ６のパワーを設定しておけば、半導体レーザーを使用した干渉計として最大の効果を発揮する。つまり、波面で考えると、被検物体７の反射面からの反射光と参照光としての反射面４からの帰り光とが、両方とも平行光として合波される。
【００２１】
光束２４は、波長λ１の光を透過するバンドパスフィルター１３ａを透過し、その透過光はλ１の情報のみを持つ。波長λ１の光束は、１／４λ板９ａを透過することで直線偏光となり、偏光情報としての偏光方向は被検物体７の変位に基づいて回転する。偏光方向が回転する直線偏光の光束２４は、非偏光ビームスプリッター１０ａで分割され、透過光は偏光板１１ａを透過し、反射光は偏光板１１ｂを透過し、それぞれ光の明暗信号となって光電センサー１２ａ、１２ｂに入射し電気信号に変換される。電気信号は、被検物体７の反射面の１／２λ１分の移動を１周期とするサイン波となる。偏光板１１ａ、１１ｂは、それぞれ偏光軸が４５度傾いて設置してあり、光電センサー１２ａ、１２ｂから出力されるサイン波の電気信号は、互いに９０度位相が異なる信号(以後、一方をＡ相、他方をB相と呼ぶ）となる。
【００２２】
一方、非偏光ビームスプリッター８を透過した光束２５は、波長がλ２の光を透過するバンドパスフィルター１３ｂを透過し、その透過光はλ２の情報のみを持つ。その透過光は、１／４λ板１３ｂを透過し、光束２４と同様に、非偏光ビームスプリッター１０ｂで２分割された後、偏光板１１ｃ、１１ｄをそれぞれ透過し光電センサー１２ｃ、１２ｄに入射して電気信号に変換される。光電センサー１２ｃ、１２ｄから出力される電気信号は、被検物体の１／２λ２分の移動を１周期とするサイン波となる。偏光板１１ｃ、１１ｄは、それぞれ偏光軸が４５度傾けて設置してあり、光電センサー１２ｃ、１２ｄから出力されるＡ相、Ｂ相の電気信号は、互いに９０度位相の異なるサイン信号となる。
【００２３】
例えば２０μｍの軸ぶれをもって回転している直径４mmの軸であって０．５ｍｍ幅の傷や面欠陥があるものを測定する場合を考えると、０．５ｍｍ幅の傷で信号ドロップアウトが生じたときに、外周の約１／２５の部分で信号が欠落することになる。これはドロップアウト中に軸の反射面（表面）が±約２μｍ変位する可能性を意味する。つまり、この場合、４μｍの測定範囲において２波長λ１、λ２で得られる２つのサイン信号の位相が一致しないように該２波長λ１、λ２を設定することにより、ドロップアウトを生じても、ドロップアウトから回復した時点で再び正しい値で軸の反射面位置の測定が開始できることになる。
【００２４】
より具体的には、幅４μｍの測定範囲において、それぞれλ１、λ２の波長を持つ光より得られる２つのサイン信号の位相が重ならないように該λ１、λ２を（１）式を満たすように設定すれば、回転軸の面位置或いは軸ぶれを高精度に測定することができる。
【００２５】
λ１×｛λ１÷（λ２−λ１）｝／２≧４μｍ ・・・（１）
例えば、２つの半導体レーザー１ａ、１ｂが発生するレーザー光の波長をλ１＝６５０nm、λ２＝６８０nmとすると、センサー１２ａ、１２ｂからは１周期が６５０／２＝３２５nmのサイン波信号が出力され、センサー１２ｃ、１２ｄからは１周期が６８０／２＝３４０nmのサイン波信号が出力される。図２のａ，ｂはセンサー１２ａ、１２ｂの出力信号波形の一例、図２のｃ、ｄはセンサー１２ｃ、１２ｄの出力波形の一例である。センサー１２ａ、１２ｂの出力サイン波信号とセンサー１２ｃ、１２ｄの出力サイン波信号の位相とが一致した状態になるのは±約６μｍ先であるので、（１）式を十分に満たし、２０μｍの軸ぶれをもって回転している直径４ｍｍの軸であって０．５ｍｍ幅の傷を有するものであっても、その面位置の測定が可能であると言える。
【００２６】
上記の軸の測定例は極端な例であり、通常の軸ぶれ測定では、軸径が直径４ｍｍよりも大きく、しかも軸上に存在する傷が０．５ｍｍよりも狭い。したがって、上記の波長の設定例は、ほぼあらゆる局面における回転軸の測定に対応することができる。
【００２７】
以上のように、所定の測定範囲において２波長λ１、λ２で得られる２つのサイン信号（周期信号）の位相が一致しないように該２波長λ１、λ２を設定することにより、同一箇所で２つのサイン信号の双方がドロップアウトを生じることがないため、高精度で軸の面位置を測定することができる。
【００２８】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態に記載した光学構成において光源１ａ、１ｂとしてそれぞれマルチモードの半導体レーザーを使用している他、波長λ１、λ２の設定が異なる。この実施の形態の干渉計は、２波長の光を利用して得られる２つのサイン信号の位相が、マルチモード半導体レーザーの可干渉距離範囲内で同一位相にならないように設定されている。つまり、マルチモード半導体レーザーの可干渉距離をＬとすると、（２）式を満たせば、レーザー干渉変位計の測定範囲内において２波長λ１、λ２を利用して得られる２つのサイン波の位相が一致しない。したがって、回転軸の面位置或いは軸ぶれを高精度で測定することができる。
【００２９】
λ１×｛λ１÷（λ２−λ１）｝／２≧Ｌ ・・・（２）
具体的には、マルチモードレーザーの可干渉距離を２００μｍとすると、λ１＝６５０ｎｍ、λ２＝６５２ｎｍのとき、可干渉距離が２００μｍの範囲において２つのサイン信号の位相が一致した状態になることはない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の干渉計及び位置計測装置によれば、例えば、ドロップアウトに起因する誤差の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態の干渉計（位置計測装置）の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す干渉計（位置計測装置）の光電センサーの出力信号を概略的に示す図である。
【図３】従来の干渉計の概略構成を示す図である。
【図４】従来式の干渉計の光電センサーの出力信号の概略的に示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 半導体レーザー
２ａ、２ｂ コリメーターレンズ
３ａ、３ｂ 偏光ビームスプリッター
５ａ、５ｂ、５ｃ、９ａ、９ｂ １／４λ板
６ 集光レンズ
７ 被検体物
８、１０、１０ａ、１０ｂ 非偏光ビームスプリッター
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 偏光板
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 光電センサー
２０ａ、２０ｂ、２０、２１、２２、２３、２４、２５ 光束

Claims (4)

1. 測定光束を被検体物で反射させ、参照光束を参照鏡で反射させ、両反射光束を合波して合波光束とし、該合波光束より干渉光束を得る干渉光学系を有する干渉計であって、
   第１、第２波長を含むレーザー光束を分割して、前記測定光束及び前記参照光束として、前記第１、第２波長をそれぞれ含む測定光束及び参照光束を生成する光学系と、
   前記第１、第２波長を含む干渉光束により前記第１、第２波長についてそれぞれ形成される第１、第２明暗パターンをそれぞれ電気信号に変換する第１、第２光電センサーとを備え、
   前記レーザー光束の可干渉距離をＬ、前記第１波長をλ１、前記第２波長をλ２としたときに、
   λ１×｛λ１÷（λ２−λ１）｝／２≧Ｌ
   を満たすことを特徴とする干渉計。
2. 前記レーザー光束を形成するための光源が２つのマルチモードレーザーを含むことを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記第１、第２光電センサーに前記第１、第２波長の光束をそれぞれ入射させるための第１、第２バンドパスフィルターを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の干渉計を有し、該干渉計を利用して被検体物の位置を計測することを特徴とする位置計測装置。

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