JP5361230B2 - 2波長レーザ干渉計評価校正方法、評価校正装置および評価校正システム - Google Patents
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Description
この方法は、波長の異なる2種類の光波を使用して、同時に測定対象の変位量を測定し、この2種類の測定値を用いた演算によって、空気ゆらぎの影響を低減した変位量を得る手法である。このため、温度や湿度、大気圧などの各種環境情報の計測が不要なため、測定の不確かさが減り、高精度な測長が期待できる。
しかし、このような高精度な測長システムを詳細かつ高精度に性能評価したり、校正したりする適切な手段がなく、2波長レーザ干渉測長システムを実用化する上で大きな障害となっていた。実際に、2波長レーザ干渉測長システムに対する従来の精度評価方法は、測定すべき変位量をゼロとした静的な測長を行い、空気ゆらぎによる測定値の変動をどの程度抑えられるかを検証するものが主であった(例えば、非特許文献2参照)。
結局、従来は、2波長レーザ干渉測長システムを、長ストロークに渡って十分な精度で性能評価したり、校正したりすることが非常に困難であったため、国家標準にトレーサブルな2波長レーザ干渉測長システムを実現することも困難であった。
「High-accuracy length-measuring interferometer using the two-colour method of compensating for the refractive index of air 」Meas.Sci.Technol.3(1992),pp.1084-1086」
<非特許文献3>
「ナノメーター測長システム」光学,Vol.20,No.3,(1991年3月),pp.158-159
D=D2−A(D2−D1) …(1)
から、係数Aを求め、この係数Aを使って前記式(1)の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記2波長レーザ干渉計を評価、校正することを特徴とする。
本発明では、測定基準面である真空容器の端面の内外に設けられた反射面のうち、真空容器外の反射面の変位量を2波長レーザ干渉計によって測定すると同時に、真空容器内の反射面の変位量を基準レーザ干渉計によって測定し、基準レーザ干渉計によって得られた測定値と2波長レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較して、2波長レーザ干渉計を評価、校正するようにしたから、2波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能である。
測定値の比較結果から、測定基準面である真空容器の端面が変位することで生じる空気ゆらぎによる測定値のばらつきをどの程度抑えられるかを検証することができる。これにより、2波長レーザ干渉計の速度追従性や周波数応答特性などを評価することができる。
また、空気の温度、大気圧、湿度、CO2濃度などの測定環境が異なる場合の評価を行うことで、2波長レーザ干渉計の測定環境による影響の検証も行うことができる。
さらに、2波長レーザ干渉計による2種類の変位量測定値と、基準レーザ干渉計による変位量測定値とを比較検証することで、より適切な数学モデルの発見にも寄与できる。
例えば、2波長レーザ干渉計の各波長のレーザ光束で測定した測定値をD1,D2とすると、空気屈折率補正された変位量Dは
D=D2−A(D2−D1) …(1)
A=(n2−1)/(n2−n1) …(2)
から求められる。ただし、n1,n2は、D1,D2に対応するレーザの波長における空気屈折率である。
従って、2波長レーザ干渉計で得られた変位量Dと基準レーザ干渉計で得られた変位量の差が小さくなるように、2波長レーザ干渉計のパラメータを調整することにより実施できる。
D=D2−A(D2−D1) …(1)
から、係数Aを求め、この係数Aを使って前記式(1)の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することを特徴としている。
また、係数Aの値は、空気屈折率の経験式を用いて算出される。しかし、このような算出方法は、空気屈折率の経験式の精度の影響を受け、係数Aの値に不確かさが発生する要因となり、2波長光波干渉測長における大きな不確かさの要因となっていた。このため、不確かさを低減して係数Aの値を求める必要があるが、高精度に実現できる方法が従来なかった。
このような構成によれば、基準レーザ干渉計のレーザ光束に2波長レーザ干渉計で用いられるレーザ光束を利用したので、構成を単純化できるとともに、低コスト化も実現できる。
本発明の2波長レーザ干渉計評価校正装置は、波長の異なる2種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める2波長レーザ干渉計を、評価、校正するための2波長レーザ干渉計評価校正装置であって、前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計と、前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときに、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値と前記2波長レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記2波長レーザ干渉計を評価、校正する評価校正手段とを備え、
前記評価校正手段は、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値D、前記2波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる2種類のレーザ光束による測定値D1,D2を用いて、式(1)
D=D2−A(D2−D1) …(1)
から、係数Aを求め、この係数Aを使って前記式(1)の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することを特徴とする。
このような2波長レーザ干渉計評価校正装置によっても、2波長レーザ干渉計評価校正方法と同様に、2波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能である。
<全体構成の説明>
本実施形態に係る2波長レーザ干渉計評価校正システムは、図1に示すように、2波長レーザ干渉計1と、2波長レーザ干渉計1からの測定光束の光路上に配置された真空容器2と、この真空容器2の端面を測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段としての駆動機構3と、基準レーザ干渉計4と、基準レーザ干渉計4によって得られた測定値と2波長レーザ干渉計1によって得られた測定値とを比較し、2波長レーザ干渉計1を評価、校正する評価校正手段5とを備えている。
ここでは、真空容器2と、駆動機構3と、基準レーザ干渉計4と、評価校正手段5とから、2波長レーザ干渉計評価校正装置6が構成されている。
具体的には、波長の異なる2種類のレーザを出射する2波長レーザ光源11と、この2波長レーザ光源11から出射された波長の異なる2種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束の2光束に分けるビームスプリッタ12と、参照光束が向かう方向に固定され参照光束を反射させる参照面としての平面ミラー13と、測定光束と参照光束とが重ね合わされた光束を各波長ごとの光束に分離するダイクロイックミラー14と、このダイクロイックミラー14で分離された各波長ごとの光束による干渉信号を検出するフォトディテクタ15,16と、この各フォトディテクタ15,16で検出された干渉信号から被測定面(平面ミラー22,23)の変位量をそれぞれ求める位相検出部17,18と、この位相検出部17,18で波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面(平面ミラー22,23)の変位量を演算する演算器19とから構成されている。
ビームスプリッタ12は、波長の異なる2種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束の2光束に分けるとともに、平面ミラー13で反射された光束(参照光束の反射光束)と平面ミラー22で反射された光束(測定光束の反射光束)とを重ねあわせて干渉させる。
位相検出部17,18は、各フォトディテクタ15,16で検出された干渉信号(干渉縞)から測定光束が反射した被測定面(ここでは、後述する平面ミラー22,23)の変位量をそれぞれ求める。
演算器19は、各波長の光束で測定した変位量をD1,D2とすると、空気屈折率補正がされた測定基準面である平面ミラー22の変位量Dを、
D=D2−A(D2−D1) …(1)
A=(n2−1)/(n2−n1) …(2)
から求める。ただし、n1,n2は、D1,D2に対応するレーザ光束の波長における空気屈折率である。
真空容器2は、金属ベロースの一端(2波長レーザ干渉計1の測定光束と対向する端面)が封止体21によって封止されているとともに、他端が基準レーザ干渉計4に固定されている。つまり、真空容器2の封止体21が真空容器2の長手方向に沿って移動可能とされている。封止体21の内外面には、測定基準面としての平面ミラー22,23が配置されている。これらの平面ミラー22,23は、それぞれ2波長レーザ干渉計1の測定光束および基準レーザ干渉計4の測定光束に対して略直角に配置されているとともに、駆動機構3により測定光束に沿って移動可能に構成されている。つまり、平面ミラー22,23を有する封止体21が移動することで真空容器2が伸縮するようになっている。
ここで、2波長レーザ干渉計1の測定光束および基準レーザ干渉計4の測定光束は、測定基準面としての平面ミラー22,23を挟んで、これらと略垂直に、かつ、略同一軸線上に位置されている。このため、アッベ誤差およびコサイン誤差の影響が低減されている。
具体的には、所定波長のレーザ光束を出射するレーザ光源41と、このレーザ光源41から出射されたレーザ光束を測定光束と参照光束の2光束に分けるビームスプリッタ42と、参照光束が向かう方向に固定され参照光束を反射させる参照面としての平面ミラー43と、測定光束と参照光束とが重ね合わされた光束による干渉信号を検出するフォトディテクタ45と、このフォトディテクタ45で検出された干渉信号から測定光束が反射した面(ここでは、平面ミラー23)の変位量をそれぞれ求める位相検出部47とから構成されている。なお、レーザ光源41としては、国家標準とトレーサブルなものが用いられている。
まず、2波長レーザ光源11から異なる波長のレーザを出射する。すると、これら異なる波長のレーザ光束は、ビームスプリッタ12によって測定光束と参照光束との2光束にそれぞれ分けられる。
参照光束は、平面ミラー13へ向かい、その平面ミラー13で反射されたのち、ビームスプリッタ12へ戻る。測定光束は、平面ミラー22へ向かい、その平面ミラー22で反射されたのち、ビームスプリッタ12へ戻り、参照光束と重ね合わされて干渉される。測定光束と参照光束との干渉光束は、ダイクロイックミラー14へ至り、各波長ごとの光束に分離されたのち、それぞれフォトディテクタ15,16へ入射される。フォトディテクタ15,16において、各波長に干渉光束による干渉信号が検出されたのち、この各干渉信号が位相検出部17,18に送られる。すると、位相検出部17,18において、平面ミラー22の変位量が各波長ごとにそれぞれ求められたのち、この各変位量が演算器19へ送られる。
D=D2−A(D2−D1) …(1)
A=(n2−1)/(n2−n1) …(2)
から求める。ただし、n1,n2は、D1,D2に対応するレーザ光束の波長における空気屈折率である。
まず、レーザ光源41からレーザ光束を出射すると、このレーザ光束は、ビームスプリッタ42によって測定光束と参照光束との2光束にそれぞれ分けられる。
参照光束は、平面ミラー43へ向かい、その平面ミラー43で反射されたのち、ビームスプリッタ42へ戻る。測定光束は、内部が真空化された真空容器2へ入射し、平面ミラー23へ向かい、その平面ミラー23で反射されたのち、ビームスプリッタ42へ戻り、参照光束と重ね合わされて干渉される。測定光束と参照光束との干渉光束は、フォトディテクタ45へ入射される。フォトディテクタ45において、干渉光束による干渉信号が検出されたのち、この干渉信号が位相検出部47に送られる。すると、位相検出部47において、干渉信号(干渉縞)を基に平面ミラー23の変位量が求められたのち、この変位量が評価校正手段5に与えられる。
2波長レーザ干渉計1を評価、校正するには、駆動機構3の駆動により、平面ミラー22,23を有する封止体21を精密に移動させ、かつ、精密に位置決めしながら、基準レーザ干渉計4によって得られた真空容器2の内側の平面ミラー23の変位量と、2波長レーザ干渉計1によって得られた真空容器2の外側の平面ミラー22の変位量とを比較することで、2波長レーザ干渉計1を評価、校正する。
測定値の比較結果から、測定基準面である平面ミラー22,23(封止体21)が変位することで生じる空気ゆらぎによる測定値のばらつきをどの程度抑えられるかを検証することができる。これにより、2波長レーザ干渉計1の速度追従性や周波数応答特性などを評価することができる。
また、空気の温度、大気圧、湿度、CO2濃度などの測定環境が異なる場合の評価を行うことで、2波長レーザ干渉計1の測定環境による影響の検証も行うことができる。
さらに、2波長レーザ干渉計1による2種類の変位量測定値と、基準レーザ干渉計による変位量測定値とを比較検証することで、より適切な数学モデルの発見にも寄与できる。
特に、式(1)の左辺Dに基準レーザ干渉計の変位量測定値を代入し、3種類の測定値D,D1,D2を用い、係数Aの値を未知数として最小二乗法などを用いて解くことで、係数Aの値を高精度に求めることができる。この求められた係数Aの値を用いることで2波長光波干渉測長法における不確かさを低減することが可能になる。つまり、この係数Aを使って前記式(1)の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することにより、2波長レーザ干渉計を詳細かつ高精度に評価、校正することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、2波長レーザ干渉計1のレーザ光源11として、異なる波長を有する2種類のレーザ光束を出射するものとしたが、波長の異なる2種類のレーザ光束を出射する2つのレーザ光源を用い、それぞれのレーザ光源から出射された波長の異なるレーザ光束をダイクロイックミラーなどを利用して合成して出射するようにしてもよい。
前記実施形態では、基準レーザ干渉計4として、偏光を利用しないマイケルソン型のレーザ干渉計を挙げたが、この構成に限定されるものでない。真空光路を使用したレーザ干渉計であれば、他の構成の干渉計であってもよい。
2…真空容器、
3…駆動機構(駆動手段)、
4…基準レーザ干渉計、
5…評価校正手段、
6…2波長レーザ干渉計評価校正装置、
13…平面ミラー(参照面)、
21…封止体(可動端面)、
22…平面ミラー(被測定面)、
23…平面ミラー(被測定面)、
43…平面ミラー(参照面)。
Claims (5)
- 波長の異なる2種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める2波長レーザ干渉計を、評価、校正するための2波長レーザ干渉計評価校正方法であって、
前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、
この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、
レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計とを用意し、
前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときの前記真空容器外の反射面の変位量を前記2波長レーザ干渉計によって測定すると同時に、前記真空容器内の反射面の変位量を前記基準レーザ干渉計によって測定し、
前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値D、前記2波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる2種類のレーザ光束による測定値D1,D2を用いて、次式(1)
D=D2−A(D2−D1) …(1)
から、係数Aを求め、この係数Aを使って前記式(1)の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記2波長レーザ干渉計を評価、校正することを特徴とする2波長レーザ干渉計評価校正方法。 - 請求項1に記載の2波長レーザ干渉計評価校正方法において、
前記2波長レーザ干渉計で用いられる波長の異なる2種類のレーザ光束のうち1種類のレーザ光束を前記基準レーザ干渉計のレーザ光束として用いたことを特徴とする2波長レーザ干渉計評価校正方法。 - 波長の異なる2種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める2波長レーザ干渉計を、評価、校正するための2波長レーザ干渉計評価校正装置であって、
前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、
この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、
レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計と、
前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときに、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値と前記2波長レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記2波長レーザ干渉計を評価、校正する評価校正手段とを備え、
前記評価校正手段は、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値D、前記2波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる2種類のレーザ光束による測定値D1,D2を用いて、式(1)
D=D2−A(D2−D1) …(1)
から、係数Aを求め、この係数Aを使って前記式(1)の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することを特徴とする2波長レーザ干渉計評価校正装置。 - 請求項3に記載の2波長レーザ干渉計評価校正装置において、
前記基準レーザ干渉計で用いられるレーザ光束は、前記2波長レーザ干渉計で用いられる波長の異なる2種類のレーザ光束のうち1種類のレーザ光束が分岐して用いられていることを特徴とする2波長レーザ干渉計評価校正装置。 - 波長の異なる2種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める2波長レーザ干渉計と、
請求項3または請求項4に記載の2波長レーザ干渉計評価校正装置と
を備えたことを特徴とする2波長レーザ干渉計評価校正システム。
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