JP4343106B2 - 高精度３ｄモーションのための計測系 - Google Patents

Description

本発明は一般に干渉分光法に関し、より詳細には、例として波面や光学面、例えば非球面の形状を確定するための方法において、名目上の直線など所定の光路に沿って物体が移動する際に物体の位置および角度方向を干渉法により高精度で測定するための装置および方法に関する。

（発明の背景）
物体を所定の軌道に沿って正確に走査する必要のある使用例は多い。これは多くの場合、機械的基準構造体（あるいは計測フレーム）を基準とするセンサを用いた物体をサーボ位置決めすることにより遂行される。大きな運動が必要な場合、通常計測フレームは大きくなり、したがって機械的振動、熱ドリフト、およびその他の摂動の影響を受けやすい。

例えばフォトリソグラフィ手段、ダイヤモンド旋盤等の超高精度機器用計測系は、非接触計測器、一般にレーザ干渉計により法線入射で精査される安定した基準フレームを使用する。単数あるいは複数の自由度において要求される運動が小さい場合のみ、容量測定器あるいはＬＶＤＴなどの接触測定器でも使用することができる。一般に基準面の寸法は、測定すべき行程のものと各寸法において同程度である。

高精度測定装置に対する継続的必要性のため、相対運動をする２つの物体間の位置および角度方向を正確に測定するためのコンパクトな干渉運動追跡設計を提供することが本発明の第一の目的である。

相対距離あるいは絶対距離を干渉法により高精度で測定する（単数または複数の）方法および装置を提供することは本発明の別の目的である。

光学機械の傾斜、曲率、および形状を干渉法により高精度で測定する（単数または複数の）方法および装置を提供することは本発明の別の目的である。

行程に沿った運動の運動要素の真直度を冗長自動監視計測により高精度に測定するための（単数または複数の）干渉方法および干渉装置を提供することは本発明の別の目的である。

本発明のもう一つの目的は、干渉計における走査パスの真直度を校正するための比較自動監視方法を提供することである。

本発明のその他の目的は、以下で図面と合わせて次の説明を読めば、ある程度明らかになり、またある程度明白になろう。

（発明の概要）
本明細書に記載される本発明は、大きなダイナミック・レンジ変位センサによる先行技術の手法で問題を解決する。この変位センサは、従来より利用される直交座標系に対して垂直でない複数の基準面に関して測定する。必要な基準面の寸法は、必要な走査距離と基準面の方向とに依存する。１つの線形の自由度が他の２つに比較して大きい場合、本発明は特に有利である。本発明の好適な実施態様は、運動部材に装着された再帰性反射体と定偏角組立体とを備えるゼロ剪断干渉計を使用する。したがって運動部材は完全に受動的である。

本発明は、第一構造体の第二構造体に対する６自由度を低い不確かさで測定するための方法および装置である。この装置はコンパクトで剛性な熱安定性構造体からなる。本発明は、能動的なポインティングを持たずに測定系の線形変位変換器および他の部分の所望の方向を維持する線形変位変換器を使用する。この装置は、第一構造体と第二構造体との間の最大移動距離よりもかなり小さい最大寸法を有する基準面を使用する。さらにこの２構造体間の運動はこの装置により測定されるが、この運動を選択されたアーチファクトを使用して校正することができる。

線形変換器は熱安定性であり、ほぼゼロビーム剪断を有して周期誤差の非常に少ない干渉計であるのが好ましい。基準面は、Ｚｅｒｏｄｕｒ（登録商標）あるいはＩｎｖａｒ（登録商標）などの熱安定性材料から製造された反射鏡であるのが好ましい。

好適な一実施において、干渉計のビームスプリッタおよび基準面は、好ましくはＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）あるいはＩｎｖａｒ（登録商標）などの熱安定性材料から製造された単一の「基準構造体」に一体化されている一方、第二の運動性構造体は再帰性反射体および定偏角組立体を担持し、基準構造体を往復して干渉計ビームへ方向転換する。

他の好適な実施において、干渉計のビームスプリッタは定偏角組立体をも担持する運動性構造体へ一体化することができる。

定偏角組立体は、定偏角プリズムと、多面性反射面と、単数または複数の屈折面および／または反射面を有する統合要素と、複数のプリズム屈折要素あるいはそれらの様々な組み合わせを有する統合要素とを含むことができる。

（詳細な説明）
本発明の好適な実施態様は、運動監視システムであって、この運動監視システムにより、好ましくはゼロ剪断である６つ以上の干渉計用ビームスプリッタと、適切な角度に配置された基準面（反射鏡）との両方を含む静的基準構造体に対する、受動ターゲット（１実施では再帰性反射体と、定偏角プリズムと干渉計サブシステムを担持するのみである）の６自由度の干渉運動の測定が、
１．各自由度で所望の位置の分解能をもたらすこと、
２．要求される走査距離のための基準構造体の寸法を最小限にすること
を可能とする運動監視システムである。

ある物体の他方に対する位置および方向の全６自由度を必ずしも完全に測定する必要はないが、基準反射鏡の方向を適切に選択して７以上の干渉計を使用すれば、所定の基準構造体寸法および走査距離のための分解能の効果を増大することができる。

本発明とその利点を理解するために、計測フレームの従来の手法（例えばＲｏｇｅｒｓ Ｗ．Ａ．「Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」Ｐｒｏｃ ＡＡＡＳ，Ｖｏｌ １８（１８８３）ｐ２８７，Ｂｒｙａｎ Ｊ．Ｂ．「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ８４ ｉｎｃｈ ｄｉａｍｏｎｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ」 Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ １，Ｎｕｍｂｅｒ １，ｐ１３，Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ Ｒ．Ｒ．「Ｅｒｒｏｒ ｂｕｄｇｅｔｓ」Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ Ｖｏｌ ５：Ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ ＵＣＲＬ−５２９６０−５（１９８０）等）をまず考察されたい。それらには、ある組の基準面（図１に概念的に示す）が使用されている。対象となる物体１０が自由空間内を運動し、その位置が、互いに垂直になるように配置された３つの平面２０、３０、４０を含む基準系に関して測定される。３つの線形自由度（Ｘ、Ｙ、およびＺ）の周りには重大な回転がないと仮定しうる場合、かつ３回独立した距離測定がなされた場合、第二物体（３つの基準面２０、３０、４０の組）に対する第一物体（あるいは対象物１０）の位置はわかる。よく知られている改良点では、３つの自由度のそれぞれにおいて、平行な変位測定（それらの間の公知のピッチも含めて）を２つ利用する。したがって角運動も測定されるが、必要な基準面の寸法は、特定方向（ｘ、ｙ、あるいはｚ）への移動距離プラス測定ビームの距離となる。変位、位置、あるいは範囲の測定に関わるいかなる機器も、必ず計測ループを伴うことに留意されたい。しかし、運動部材が位置を変えるにつれて増加する負荷が変化しても計測フレームが変形されないような方法で装着された個別の構造体を考慮して、計測フレームが頻繁に採用されている。

上述した一般的な手法の変更態様は、英国国立物理学研究所において使用されてきた（Ｐｅｇｇｓ Ｇ．Ｎ．等の「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｉｇｈ Ａｃｃｕｒａｃｙ ＣＭＭ」、ＣＩＲＰ Ａｎｎａｌｓ，Ｖｏｌ ４８／１（１９９９）ｐ４１７、および図４もまた参照のこと）。この変更態様では、反射鏡の直交配列が座標測定機のラムに追加され、その位置が干渉計により検出される。ここでも基準面は機器の運動よりも大きい。

よく知られているスチュワートプラットフォームは、球形の接合部を経由して６つの線形アクチュエータが使用されて６自由度の運動を提供する装置である。初期の応用例にはタイヤ試験および飛行シミュレータが含まれていた。最近では（例えばＺｉｅｇｅｒｔのもの、図５）、６つのアクチュエータの長さを測定し、そこから、ある剛性体の空間における位置を推定するという意見が議論されてきた。このような手法は球形の支持体に欠陥がないことを前提としている。これらの手法はまた、「ビームポインティング」の要求される公知の三角測量システムと同一構造である。変位測定は角座標においてターゲットの位置を追跡しなければならない。

対照的に、本発明は能動的な追跡を必要としない。本発明の一実施を、以下の図２Ａによる説明から理解することができる。ここでは、６つの傾斜基準面または傾斜基準表面を有する干渉運動監視システム１００を示すが、これらの傾斜基準面は、システムの中心線の周りで対称な三対（１０２、１０４、１０６）において配向されているのがわかる。測定ビーム１０８は、下部構造体あるいは計測フレーム基部１１２に取り囲まれた既知の干渉計サブシステムの一部であるビーム送出システム１１０（代表的なもの）のビームスプリッタから垂直に現われ、この測定ビームを対応する傾斜基準面（１０２、１０４、あるいは１０６）の１つへ３０度で方向転換する定偏角プリズム（ＣＤＰ）あるいは同等の組立体１１４を経て反射し、ここからこの測定ビームは―法線入射で―ＣＤＰ１１４へ、したがって干渉計サブシステム１１０へ後方反射する。定偏角プリズムあるいは組立体１１４は、定偏角プリズム、多面反射面、単数または複数の屈折面および／または反射面を有する統合要素、および複数のプリズム屈折要素を有する統合要素からなる群から選択してもよい。特に好適なある組立体を図２Ｅにおいて１１７で示す。この図では組立体が順に直角柱１１９、ポロプリズム１２１、ペンタプリズム１２３を有することがわかる。これらの機能は、その内容全体を基準して本明細書に組み込むＨｅｎｒｙ Ａｌｌｅｎ Ｈｉｌｌに発行された２００１年３月６日付け米国特許第６１９８５７４号「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」である図５の実施態様と同様である。

ターゲット（運動体１１６）がＺ方向に運動すると（図２ＡのＺＣ）、測定ビーム１０８はその対応する割り当てられた傾斜基準面に沿って横方向に運動する。このことは図２Ｂおよび図２Ｃにおいてより明確に見ることができ、これらの図は、運動体１１６がＺ軸に沿ってその位置を変えるとそれぞれの傾斜基準面を測定ビーム１０８が法線入射においてどのように走査するかを示す。

６つの個別のビーム（１０８）の出力は基準面の方向性により確定されるパターンで変化し、角運動も直線軸の任意の１つの周りで変化する。

ＣＤＰ１１４の（および関連基準面の）偏差角は干渉計の分解能をＺ方向およびＸ方向、Ｙ方向で変更する。ＣＤＰ１１４が９０°再帰性反射体の場合、変位測定はＺ方向への運動のみの情報を含み、干渉計サブシステム１１０の分解能と厳密に等しい分解能を有する。

次に図２Ｄを参照するが、これは本発明の他の実施態様を示し、この実施態様において、変型のビーム送出システム１０９がそのまま静止した物体１１２にある一方、定偏角組立体を担持する運動性構造体あるいは物体１１６に干渉計のビームスプリッタ（１１５）を一体化することができる。

他の実施において、純粋なＺ軸干渉計（再帰性反射体を使用する）をＣＤＰを使用する干渉計に組み合わせる。６自由度の情報を得るためには最低でも６つの干渉計を使用しなければならず、この６つの干渉計のうち少なくとも３つはＣＤＰであり傾斜基準面でなければならない。

別の実施において、干渉計をこの最低数量よりも多く使用して、システムの性能を最適化することができる。このように追加で単独に測定することにより、複数の測定値を平均した結果において分解能を改善することができる。したがって、本発明を実施するシステム設計者は干渉計、基準面、そして基準面方向性の数を最適化して、対象となる自由度での所望の分解能と測定不確かさ、所望のシステム共鳴周波数、熱的安定性、その他所望の特性を得ることができる。

次に図３を参照するが、これは本発明の実施を示し、この実施では干渉計サブシステム２００を物体に装着し、傾斜基準面２０２を第二物体に装着して２つの平面鏡を使用した距離測定干渉計を形成する。この平面鏡は運動体の運動２０４の方向に対して傾いた干渉計の軸に沿って配置されている。第二物体が運動すると、干渉計サブシステム２００からの測定ビーム２０６は物体間の距離に従って左右に動きながら傾斜基準表面２０２を走査する。この実施態様および図２Ａの実施態様は、これらの物体が互いに連動して動くとき、それぞれの測定ビームの少なくとも一部が物体間の運動方向に対して傾いた光路に沿って移動するという共通する特徴を持つということは明らかであろう。

よく知られた干渉サブシステムおよび反射要素に有効なものがあり、それを本発明を実施するために使用し得るということは明らかであろう。使用し得る干渉サブシステムの例として「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ａｎｇｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｃ．Ｚａｎｏｎｉ（ＶＤＩ Ｂｅｒｉｃｈｔｅ Ｎｒ．７４９，１９８９）を参照することができ、この内容全体を参照して本明細書に組み込む。本明細書で使用する定偏角組立体からの出力ビームは変化させることができる（ただしその変化が検知可能な干渉情報を測定ビームおよび基準ビームから取り出すことができる許容範囲内である場合に限られる）ということも当業者であれば理解するであろう。

今度は、本発明の実施態様を組み込んだ設計を有するシステム３００のブロック図である図３Ｂを参照する。図示するように、干渉監視システム３０２は、一方の物体の他方に対する位置および／または方向を示す情報を含んだ単数または複数の光信号３０４を提供する。光信号３０４は検出器３０６に送られ、この検出器は光信号を電気信号３０８として電気の形に変換し、これらの電気信号はアルゴリズムなどの適切なソフトウェアを備えたコンピュータ３１０へと通過して、位相解析などのデータ処理を実行し、物体の位置および方向を確定する。コンピュータ３１０は、一般的な日常業務機能を遂行するためだけでなくオペレータと監視システムとの間の通信手段としても働く。

本発明の教示に基づいて、本発明のその他の変更を当業者なら考えつくであろう。そしてそのような変更はクレームの範囲内であることが意図される。

本発明の構造、動作、および手順は、それらの他の目的および利点と共に詳細な説明を図面と合わせて読むことにより最も良く理解されよう。これらの図面では、各種図面において各部分が出てくる都度、それを識別する表示または数字を割り当てている。
図１は、ある組の基準面（図１に概念的に示す）を使用した計測フレームの従来の手法の斜視図である。 図２Ａは、本発明の実施態様の斜視図である。 図２Ｂは、２位置の変位において示す図２Ａの干渉計の１つの二次元の正面線図である。図２Ｃは、２位置の変位において示す図２Ａの干渉計の１つの二次元の正面線図である。図２Ｄは、干渉計ビームスプリッタが運動体あるいは対象物に配置された、本発明の他の実施態様の二次元の線図である。図２Ｅは、本発明を実施する際に使用する定偏角組立体の斜視図である。 図３Ａは、本発明の他の実施態様の正面線図である。 図３Ｂは、本発明の運動監視システムを内蔵した一般システム設計のブロック線図である。 図４は、先行技術による装置の正面線図である。 図５は、他の先行技術による装置の斜視図である。

Claims (8)

1. 第一構造体の第二構造体に対する運動を干渉法により測定するための装置であって、前記装置が、
   互いに相対運動をするために装備された少なくとも２つのコンパクトで剛性な熱安定性構造体と、
   前記構造体のうちの一方に装着された少なくとも１つの干渉計サブシステムおよび１つの傾斜基準反射体と、
   前記他方の構造体に装着された定偏角組立体であって、前記干渉計サブシステムが前記構造体間の所定の運動範囲にわたり前記定偏角組立体へ測定ビームを発射するように構成・配置され、その結果、前記測定ビームが前記傾斜基準反射体に沿って法線入射で走査し、それにより前記定偏角組立体を経て前記干渉計サブシステムへと逆反射して少なくとも１つの前記構造体間の自由度を示す信号をもたらす定偏角組立体と
   を有する装置。
2. 前記構造体に装着された三対の基準反射体であって、少なくともそのうちの３つが傾斜している基準反射体と、６つの干渉計サブシステムと、６つの定偏角組立体とを含んで前記構造体間の６自由度を測定する、請求項１記載の装置。
3. ７つ以上の干渉計サブシステムが使用される、請求項２記載の装置。
4. 前記定偏角組立体が、定偏角プリズム、多面反射面、単数または複数の屈折面および反射面を有する統合要素、および複数のプリズム屈折要素を有する統合要素を含む群から選択される、請求項１記載の装置。
5. 第一構造体の第二構造体に対する運動を干渉法により測定するための方法であって、前記方法が、
   互いに相対運動をするために少なくとも２つのコンパクトで剛性な熱安定性構造体を装備するステップと、
   前記構造体のうちの一方に少なくとも１つの干渉計サブシステムおよび１つの傾斜基準反射体を装着するステップと、
   前記他方の構造体に定偏角組立体を装着するステップと、
   前記構造体間の所定の運動範囲にわたり前記定偏角組立体へ測定ビームを指向するステップであって、指向の結果、前記測定ビームが前記傾斜基準反射体に沿って法線入射で走査し、それにより前記定偏角組立体を経て前記干渉計サブシステムへと逆反射して少なくとも１つの前記構造体間の自由度を示す信号をもたらすステップと
   を含む方法。
6. 前記構造体に装着された三対の基準反射体であって、少なくともそのうちの３つが傾斜している基準反射体と、６つの干渉計サブシステムと、６つの定偏角組立体とを含んで前記構造体間の６自由度を測定する、請求項５記載の方法。
7. ７つ以上の干渉計サブシステムが使用される、請求項６記載の方法。
8. 前記定偏角組立体が、定偏角プリズム、多面反射面、単数または複数の屈折面および反射面を有する統合要素、および複数のプリズム屈折要素を有する統合要素を含む群から選択される、請求項５記載の方法。

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