JP5419060B2 - 精密フェーズシフト発生装置と精密長さ測定システム - Google Patents

Description

本発明は、フェーズシフト干渉測定分野に関わるもので、特にフェーズシフト干渉測定に用いる精密フェーズシフト発生装置と同精密フェーズシフト発生装置を構成する精密長さ測定システムに関わるものである。

非接触のフェーズシフト干渉測定は長さ測定中最も正確な方法であり、目下、「機械式スキャニング」と「レーザー周波数返還法」の２種の主な測定方法がある。前者は機械式スキャニング方式でフェーズシフトを実現し、被測定物の表面と（ファブリペロ）エタロンとの間の距離を測定するが、エタロンのキャビティ長さが固定されているためエタロンの間の距離（Ｈａｉｄｉｎｇｅｒ法による測定のみ使われる）を正確に測定することができない。そのため、この方法は測定の正確度が低く、更に向上される前途もない。後者は光源の周波数を変化させることによってフェーズシフトを実現するが、前者に比べてもっと高い正確度を持っており、現在世界上の主な方法となっている。オーストラリア科学院（Ｃｏｍｍｏｎｗｅａｌｔｈ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｏｎ，ＣＳＩＲＯ）は２００１年最初に「レーザー周波数変換法」による真空長さ測定システムの構築を完成し、単結晶シリカビーズ密度標準の不確定度１×１０^−７ を実現した。２００４年日本計量研究所（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｊａｐａｎ， ＮＭＩＪ）も「機械式スキャニング」の長さ測定干渉システムを改良して、「レーザー周波数変換法」の真空長さ測定システムを作り出して、シリカビーズ密度の測定正確度を０．９×１０^−７ まで向上させた。

ところで、従来、技術上から言うと、シリカビーズ密度の測定においてキーポイントとなるものはシリカビーズの直径を正確に測定することであるが、現在平面波前レーザー干渉法と球面波前レーザー干渉法との２種の主な測定方法がある。図１は平面波前レーザー干渉法によるシリカビーズ直径測定の光学システム略図で、Ｅ１、Ｅ２はエタロンであるが、この方法はエタロンと球面反射光束との２束の光線の相互干渉によって生じる干渉縞を利用して、広義のフェーズシフト計算法によって干渉縞の小数部分を正確に確定する。その最大の特徴はエタロンとシリカビーズとの複数回の反射及び透過光の干渉級数に対する影響を無視したことであるが、研究によると、高い精度を求める精密長さ測定干渉計、特に反射面の反射率が高い場合、複数光束の干渉を無視するということは非常に厳重なものである。もう一種は球面波前レーザー干渉であるが、図２に示された通りである。図の中のＦはエタロンで、シリカビーズと同心の標準球面である。勿論、シリカビーズの各ポイントとエタロンとの距離は等しい。この方法はエタロンとシリカビーズ表面との複数回反射の干渉級数に対する影響を考慮しており、そのメリットは１回に複数の直径を同時に測定することができ、比較的高い効率を持つということである。そのデメリットはエタロンとシリカビーズのレーザー光束に対する反射率の差異が大き過ぎで、その調節が難しく（単結晶シリコンの屈折率は任意透明材料の屈折率より遥かに高い）、相互干渉光束の位相差が大きいので、干渉縞の明瞭度に影響を与え、ＣＣＤの光強度測定誤差を大きくし、システムの正確度を低下させる。また、同システムはエタロンの加工精度に対しする要求が極めて高く、任意の加工誤差や、光学素子の位置ずれ、照準誤差などは、いずれもシステムの正確度を低下させる。この２種の方法はスペクトル範囲や、周波数変換範囲、器具のノイズなど要素の影響を受けるので、測定正確度及びその向上の前途にも限度がある。現在、「レーザー周波数変換法」による長さの最適測定能力は数ナノメートルに達しているが、精密長さ測定を要求を満たすことができない。例えば、長さ計量中測定値の根源追求や、固体密度基準中単結晶シリカビーズ直径の測定、アボガドロ定数のキーポイント技術研究、材料膨張係数、圧縮係数の正確測定及び国防、宇宙飛行、軍事工業の各種精密生産、加工技術及び科学研究など分野における長さ測定の正確度に対する要求を満たすことができなく、精密長さ測定において実質的な進展は期待できない。そのため、固体密度測定の正確度の向上や、モル基準構築、質量基準の定義を実現しようとしたら、必ず新しい技術原理や、新しい技術方法と試験手段の利用を研究したのみ、固体密度基準の測定正確度を根本的に向上することができる。
固体密度基準に対する研究は主にシリカビーズ密度の測定であるが、密度は質量割り体積であるので、固体密度基準の研究は主にシリカビーズの質量と体積の精密測定に纏められる。その中、体積の測定は課題の研究重点となり、シリカビーズの直径測定と温度測定及び表面酸化層厚さの測定などが含まれるが、その中、温度測定と表面酸化層測定は直径の修正のために行われ、それによって直径測定の正確度を更に向上させることができる。直径の測定には現在通用されている非接触の長さ測定方法―「フェーズシフト法」の長さ測定方法を採用するが、その基本原理は図３に示された通りである。測定プロセスには、エタロンの間の距離Ｌ、被測定物表面とエタロンとの間隔Ｌ１、Ｌ２の初歩的測定が含まれるが、「小数重合法」又は正確度のやや低いその他測定方法によって干渉級数の整数部分Ｎの測定を実現する（Ｎの測定は通常の測定技術によって簡単に実現されるので、本発明で検討する範囲ではない）。

本発明の主な目的は、エタロンの間の距離Ｌ、被測定物表面とエタロンとの間隔Ｌ１、Ｌ２に対する正確測定を実現することで、つまり、干渉級数小数部分εを正確に測定することである。ビーズ直径の計算式は、Ｄ＝Ｌ−Ｌ１−Ｌ２＝（Ｎ＋ｅ）λ／２であるが、その中λはレーザーの波長である。
現在、世界上では２種の主なフェーズシフト測定方法−「機械スキャニング法」と「レーザー周波数変換法」があるが、いずれも各自の局限性によって精密長さの測定において実質的な突破がない。本発明の精密フェーズシフト発生装置は、新しい技術原理と新しい測定方法に基づき、「圧力スキャニング式」フェーズシフト法によって現在の長さ精密測定方法の極限性を突破し、亜ナノメートルレベルの長さ測定のために基盤を築いている。

本発明は、
フレームとヒンジマイクロ変移プラットホーム及び２枚のエタロンパネルを含んでおり、また、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーと第１の精密圧力発生器と第２の精密圧力発生器を含み、
前記エタロンパネルは、前記フレームの両アンダー壁の内壁に設置され、キャビティを形成し、
前記エタロンパネルに対応する前記フレームの前記両アンダー壁には、光線通過孔が設置されており、
レーザー光束は、前記光線通過孔を通じて前記エタロンパネルに着き、前記エタロンパネルによって反射及び透過され、
前記フレームのサイド壁の外部には、前記第１の精密圧力発生器が設置されており、
前記第１の精密圧力発生器は、前記フレームの前記サイド壁の外側に圧力を加え、前記キャビティの長さを変化させ、
前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは、フロントエンドの中部との連結によって一体の構造となっており、
前記ヒンジマイクロ変移プラットホームと前記フレームの連結ポイントの真下には、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加える前記第２の精密圧力発生器が設置され、
前記フレームのリアエンド下部の真中には前記キャビティの長さの変化と前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移を測定する精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板が設置されており、前記精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの右極板は、前記ヒンジマイクロ変移プラットホーム上の台座に設置されていることを特徴とする。

本発明は、エタロンの間の距離Ｌ、被測定物表面とエタロンとの間隔Ｌ１、Ｌ２に対する正確測定を実現することで、つまり、干渉級数小数部分εを正確に測定することができる。

既存技術に存在している欠点によって、安定且つ正確にエタロンの間や、被測定物とエタロンとの間のマイクロ変移を測定するために、本発明も非接触長さ測定方法−「フェーズシフト」長さ測定法の基本原理に基づいているが、測定プロセスには図３中のエタロンの間の距離Ｌや、被測定物とエタロンとの間の間隔Ｌ１、Ｌ２の初歩的測定が含まれるが、つまり、「小数重合法」又は正確度のやや低いその他測定方法によって干渉級数の整数部分Ｎの測定を実現する。

本発明の主な目的は、エタロンの間の距離Ｌや、被測定物表面とエタロンとの間隔Ｌ１、Ｌ２に対する正確な測定を実現することで、つまり、干渉級数の小数部分εを正確に測定することである。こちらで、測定のキーポイント技術は、安定且つ正確にエタロンの間や被測定物とエタロンとの間のマイクロ変移を正確に測定することである。そのため、本発明では、「圧力スキャニング式」精密フェーズシフト発生装置や、同精密フェーズシフト発生装置で構成された精密長さ測定システムを提供する。

本発明によって提供される精密フェーズシフト発生装置には、
フレームとヒンジマイクロ変移プラットホーム及び２枚のエタロンパネルを含んでおり、また、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーと第１の精密圧力発生器と第２の精密圧力発生器を含み、
前記エタロンパネルは、前記フレームの両アンダー壁の内壁に設置され、キャビティを形成し、
前記エタロンパネルに対応する前記フレームの前記両アンダー壁には、光線通過孔が設置されており、
レーザー光束は、前記光線通過孔を通じて前記エタロンパネルに着き、前記エタロンパネルによって反射及び透過され、
前記フレームのサイド壁の外部には、前記第１の精密圧力発生器が設置されており、
前記第１の精密圧力発生器は、前記フレームの前記サイド壁の外側に圧力を加え、前記キャビティの長さを変化させ、
前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは、フロントエンドの中部との連結によって一体の構造となっており、
前記ヒンジマイクロ変移プラットホームと前記フレームの連結ポイントの真下には、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加える前記第２の精密圧力発生器が設置され、
前記フレームのリアエンド下部の真中には前記キャビティの長さの変化と前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移を測定する精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板が設置されており、前記精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの右極板は、前記ヒンジマイクロ変移プラットホーム上の台座に設置されており、
両極板の間隔は、１５μｍで、お互いに厳しく正対面且つ平行している。

前記精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの解像度は０．０１ｎｍ、測定範囲は１５μｍ、線形度は０．００１％よりも優れており、被測定物は前記フレームの間に設置されており、前記フレームと分離されている。

最適に、前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは一体成型となるが、精密圧力発生器Ｐ’が前記ヒンジマイクロ変移プラットホームに圧力を加える場合、前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームとの間にヒステリシスやクリープの発生を防げる。

最適に、前記フレームは石英で作られるが、前記精密圧力発生器Ｐの前記フレームサイド壁に加える圧力を除去した場合、前記キャビティの長さは元の長さに回復できる。

最適に、前記フレームには前記エタロンパネルの両アンダー壁が裏側に突き出され且つ平行に設置されており、それに対する加圧変形を防げる。

最適に、前記フレームの両サイド壁の裏側はアーチ形構造且つ対称しており、圧力を加える場合、必要とするキャビティの長さの変化が得られる。

最適に、前記フレーム裏側の４つの隅には、それぞれ１つの隅孔が設置されている。

最適に、前記エタロンパネルは３つのスクリューノブによって前記フレームの対応する両アンダー壁の内壁上に固定されており、この３つのスクリューノブを回転させることによって前記エタロンパネルの方位を調節することができる。

最適に、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは下部の台座と上部のプラットホームとの２層の構造となっており、前記下部台座と前記上部プラットホームは一体成型の細長い部分によって連結されている。

最適に、また圧力ローディングパーツが含まれており、前記圧力ローディングパーツは弓形構造となっており、前記フレームに嵌められ前期エタロンパネルの任意一つのアンダー壁の外側に設置されており、前記精密圧力ローディングパーツの中部には前記フレームのアンダー壁中の光線通過孔と連通される光線通過孔が設置されており、前記圧力発生器Ｐは前記弓形圧力ローディングパーツの任意１端の溝中に設置されている。

本発明によって提供される精密長さ測定システムには、また、光源や光学器機、精密温度制御装置とコンピューター制御システムを含んでおり、前記精密フェーズシフト発生装置は前記精密温度制御装置の内部に設置されており、
前記光学部品には分光器や、レフレクター、分光プリズム及びＣＣＤなどが含まれており、前記光源から出るレーザー光束は前記分光器によって２束に分けられ、それぞれ両側の前記レフレクターを通じて前記分光プリズムに入るが、前記レーザー光束はそれぞれ前記分光プリズムによって透過されてから前記精密温度制御装置に入り、前記精密フェーズシフト発生装置のエタロンパネルに照らされ、再びそれぞれの前記エタロンパネルによって反射光束と透過光束に分けられるが、前記透過光束は前記精密フェーズシフト発生装置に設置されている被測定物の表面によって反射された反射光束と前記エタロンパネルによって反射された反射光束が干渉が発生する。

前記精密フェーズシフト発生装置中の精密圧力発生器Ｐは前記精密フェーズシフト発生装置のフレームのサイド壁の外側に圧力を加え、前記エタロンパネルに構成されたキャビティの長さを１μｍ以上変化させ、前記干渉光にフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記キャビティ長さの変化が測定される。
前記精密フェーズシフト発生装置中の精密圧力発生器Ｐ’は前記精密フェーズシフト発生装置中のヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加え、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームを２μｍ以上変移させ、前記干渉光のフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移が測定される。
前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記ＣＣＤによってシンクロナスに採集された信号は、前記コンピューター制御システムに送られる。
前記コンピューター制御システムは１ｎｍのマイクロ変移間隔で、連続に前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記ＣＣＤによるシンクロナス信号を採集し、ファイブサンプルフェーズシフト計算方法によって干渉級数の小数部分εを算出する。

本発明によって提供される精密長さ測定方法には、次のステップが含まれる。
ステップ１：上記精密長さ測定システムを構築し、前記精密長さ測定システムの温度と圧力パラメータが測定条件に適合するまで待ち、確認する。
ステップ２：精密マイクロ変移センサーのオンライン修正を行う。
ステップ３：被測定物の長さを初歩的に測定し、干渉級数の整数部分Ｎを確定する。
ステップ４：ファイブサンプルフェーズシフト法によって、２枚のエタロンパネルに構成されたキャビティの長さＬの小数部分ε_０ を測定し、ファイブサンプルフェーズシフト法によって、被測定物両表面と２枚のエタロンパネルとの間隔のＬ１、Ｌ２の小数部分ε_１ とε_２ を測定する。
ステップ５：被測定長さの干渉級数の小数部分は式ｅ＝ｅ_０ −（ｅ_１ ＋ｅ_２ ）によって算出されるが、ｅは２π加減法によって（０〜２π）の位相範囲に調整する。ビーズ直径の計算式はＤ＝Ｌ−Ｌ１−Ｌ２＝（Ｎ＋ｅ）λ／２であるが、その中λはレーザーの波長である。

さらに、前記ステップ２には、ステップ２０１とステップ２０２が含まれている。
ステップ２０１：連続間隔の変移とシンクロナスに発生される光強度干渉信号の測定は最小二掛算によって１つ又は複数の位相周期の変移値を推定し、直接レーザー波長と比較して精密マイクロ変移センサーに対する初歩的修正を行い、約５ｎｍの正確度を実現する。
ステップ２０２：ファイブサンプルフェーズシフト計算法によって正確な修正を行うが、ファイブサンプル計算法による正確修正後の精密マイクロ変移センサーの変移測定正確度は０．２ｎｍにも達しる。

さらに、前記ステップ４中、フェーズシフト法による２枚のエタロンパネルで構成されたキャビティの長さＬの具体的な測定ステップとしては、測定の際、先ず１束の光線を遮り、１束のレーザー光束が１枚のエタロンパネルにて透過及び反射されるようにし、透過光束はもう１枚のエタロンパネルによって反射され、それによって生じる反射光束は前のエタロンパネルによる反射光束と干渉画像が形成されるが、前記干渉画像はＣＣＤによって接収され、コンピューター制御システムに送られる。精密圧力発生器Ｐによって精密フェーズシフト発生装置中のフレームに圧力を加え、２枚のエタロンパネルによって構成されたキャビティの長さＬを変化させ、圧力スキャニングによってフェーズシフトを発生させ、複数の干渉画像が得られるが、ファイブフェーズシフト計算法によって前記キャビティの長さＬの少数部分が算出される。毎度の測定開始と終了の際は、必ずキャビティの長さＬの小数部分の測定を行うこと。

さらに、前記ステップ４には、また、前記エタロンパネルの固定に用いるスクリューノブを回転させて前記キャビティの長さＬを調整し、前記エタロンパネルの初位相を調整して、要求を満たすまで再び前記キャビティの長さを測定するステップが含まれている。計算方法の誤差を低減するために、キャビティの長さＬの初位相はπの倍数及びその付近のエリアを避けること。

さらに、上記ステップ４中、フェーズシフト法によって被測定物の両表面と２枚のエタロンパネルとの間隔Ｌ１、Ｌ２の少数部分を測定する具体的なステップとしては、分光器によって分離された２束のレーザー光束はそれぞれ２枚のエタロンパネルによって反射及び透過されるが、透過光束はそれぞれ被測定物の表面によって反射された反射光束と対応するエタロンパネルによって反射された反射光束によって干渉画像を形成されるが、前記干渉画像は、ＣＣＤによって接収され、コンピューター制御システムに送られる。前記フェーズシフト発生装置中のヒンジマイクロ変移プラットホームのフェーズシフトによって複数の干渉画像が得られるが、ファイブフェーズシフト法によって被測定物の両表面と２枚のエタロンパネルとの間隔Ｌ１、Ｌ２の少数部分が算出される。

本発明によって提供される精密フェーズシフト発生装置は、マイクロ変移「圧力スキャニング」原理に基づいてデザインされたもので、石英材料の低い膨張率や、高い機械品質要素（完全回復）の特徴を利用して、正確な外形デザインと精密圧力発生器を通じて、エタロン自体変移スキャニングを実現する。また、フレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームのデザインは、精密変移センサーの自己修正難題（最小２掛算に測定された「半波長」を修正の初期値とし、それから改良型ファイブサンプル計算法で正確な修正を行う）を解決している。センサーの測定値は、直接レーザー波長まで根源を追求することができ、正確度は０．２ｎｍに達し、フェーズシフトの測定正確度を確保することが出来る。本発明の精密長さ測定システムによるシリカビーズの測定基準の不確定度は３ｎｍよりも優れている。
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。

図４から図７に結合して、本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置に対して詳しい説明を行う。図４は本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置の立体図であり、精密フェーズシフト発生装置１０１は上部フレーム１４と下部フレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム１５によって構成されており、本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置はフレーム１４とフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム１５を一体成型に設置している。フレーム１４は直方体構造となっており、フレーム１４の一対の対面している両壁をアンダー壁１６と呼び、他の両壁をサイド壁５と呼ぶ。両アンダー壁１６と両サイド壁５はそれぞれ対称に設置されている。両アンダー壁１６は裏側壁の加圧による変形を防ぐために裏側に突き出されている。突き出された部分の真中にはφ１０の光線通過孔４があり、光線通過孔４の周りには４つのφ３孔があり、エタロンパネル６上にも３つのφ３孔があって、アンダー壁１６の突き出された部分の３つのφ３孔と対応しており、アンダー壁１６とエタロンパネル６上の孔にはスクリューバネ（図の中には示されていない）が取り付けられており、３つの精密スクリューノブ７を使って３つのφ３孔を通じてエタロンパネル６をアンダー壁１６の突き出された部分に固定する。また、この３つの精密スクリューノブ７はエタロンパネル６の方位を調節することができる。両サイド壁５の裏側はアーチ形面構造となっており、そのアーチ形面の頂点に適当な圧力を加える場合、エタロンパネル６のキャビティ長さの変化を実現でき、フレーム１４の最適な具体的デザイン寸法は図７に示されている通り、両サイド壁５の裏側アーチ形面は最適に１８７．５ｍｍの半径にデザインされる。フレーム１４内部の４つの隅には４つのφ５の隅孔１７が設置されており、両アンダー壁１６の突き出された部分の幅は３０ｍｍであり、アーチ形面の頂点からサイド壁５の外側面の距離は７．５ｍｍである。エタロンパネル６は楔形の長方形パネルであり、その楔形角は３０〜６０分で、相対する面は平行しており、その平行度は１０^−６ 弧度よりも優れている。相対する面の表面精度はλ／１０〜λ／２０であり、２枚の長方形パネルの楔形方向は反対している。被測定物（本実施例中の被測定物はシリカビーズを例にする）はフレーム１４内部の中間位置に設置し、シリカビーズはフレーム１４と接触しない。

図５は本発明の最適な圧力ローディングパーツを有する精密フェーズシフト発生装置の立体図であり、図３に示された通り、圧力ローディングパーツ１１は弓形の構造となっており、フレーム１４のアンダー壁１６の外側に嵌められ、圧力ローディングパーツ１１とフレーム１４は２体の構造となっており、前者は後者に対して相対運動する。圧力ローディングパーツ１１の中部にはフレーム１４のアンダー壁１６の光線通過孔と連通される光線通過孔が開けられており、圧力ローディングパーツ１１の両端には精密圧力発生器ＰＺＴ１３を取り付ける溝が開けられている。両端にはスクリュー締付ノブ１２などの締付パーツを取り付けることができ、一端は精密圧力発生器ＰＺＴ１３を取り付け、もう一端は締付パーツを取り付けることもできる。精密圧力発生器ＰＺＴ１３の取り付け位置はフレーム１４外部の両サイド壁５のアーチ形面の頂点に位置される。精密圧力発生器ＰＺＴ１３がフレーム１４の両サイド壁５の外側に均一な圧力を加える場合、幾何関係によってエタロンのキャビティ長さは圧力の増加に従って増加され、キャビティの長さを変化させ、マイクロ変移を発生させる。最大に約２μｍまで増加されると、フェーズシフトが実現される。フェーズシフト測定の正確度を保証するために、外力を除去した場合、エタロンのキャビティ長さは元の長さに完全に回復されるべきである。石英の機械品質要素は１０^６ にも達しているので、良質の高弾性合金よりも約２の冪数ほど高い。そのため、本発明は良質の溶融石英を採用してフレーム１４を作るが、理論計算の結果、ヒステリシスやクリープによって発生されるキャビティ長さの重複性変化は１０^−３ ｎｍレベルで、変形の完全回復と見なすことができる。

シリカビーズ直径はエタロンのキャビティ長さからシリカビーズ側面と両端エタロンパネルとの間の距離を引くことによって得られる。シリカビーズとエタロンパネルとの間の距離を測定するために、ビーズとエタロンとの間のフェーズシフトを実現する必要があるが、本発明ではフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームのデザインによって実現する。本発明のフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム１５は２層構造となっており、台座１８と上部プラットホーム８を含み、台座１８のフロントエンドには精密圧力発生器３を取り付ける取付支え座１があり、精密圧力発生器３は取付支え座１の真中に取り付けられ、上部プラットホーム８にスラストを加えることに使われる。台座１８のリア部分の真中位置には精密マイクロ変移センサーが取り付けられており、本実施例では精密コンデンサー式マイクロ変移センサーを使用しており、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板２０はフレーム１４のアンダー壁１６の外壁に固定されており、精密コンデンサー式マイクロセンサーの右極板１９はボルト２１によって支え座２２に固定されるが、両極板の間隔は１５μｍで、お互いに厳しく平行されており、上部プラットホーム８とエタロンパネル６との位置移動の測定に使われる。前記精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの解像度は０．０１ｎｍ、測定範囲は１５μｍ、線形度は０．００１％よりも優れている。台座１８と上部プラットホーム８は一体成型の細長い部分１０によって連結されており、細長い部分１０の高さは１０ｍｍである。細長い部分１０は具体的に台座１８と上部プラットホーム８の中間位置の中部及び後部の両端位置に設置されており、その他位置は繋がっていない。図６に示された通り、図６はフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームの縦断面図であり、図６には本実施例中のフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームの具体的なデザイン寸法も示されている。図の中のＡの所は精密圧力発生器３の取り付け位置であり、本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置は安定且つ正確にエタロンの間や、被測定物とエタロンの間のマイクロ変移を実現することができる。

本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置は固定不変のゼロポイントキャビティ長さを持っているとともに、２μの高い安定性、大きい測定範囲のフェーズシフトを実現することができ、「機械スキャニング」法のエタロンのキャビティ長さ（１０ｎｍ）を正確に測定できない欠点を克服できるだけでなく、「レーザー周波数変換法」のスペクトル範囲が広くて周波数変換範囲が狭い（一般的に約５００ｎｍのフェーズシフトを発生）と言う欠点を克服することもできる。また、この精密フェーズシフト発生装置は初位相の調節が可能で、初位相が「悪点」（０とπの倍数）及びその付近の位相エリアに位置することを防ぐことができ、フェーズシフト計算誤差を低減することができるだけでなく、エタロンパネルの調節構造とデザインされているので、エタロンパネル間の高度の平行を実現し、通常のエタロンの基準面の高い平行度の加工が難しいという欠点を克服することができる。

そして、キャビティ長さの可変特性を利用して、本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置は変移センサーからレーザー波長のオンライン且つリアルタイムの正確修正を実現しており、正確度は０．１ｎｍよりも優れており、フェーズシフトの長さ測定の正確度を保証しているが、これは「レーザー周波数変換法」ではできない。この装置はエタロンとフレキシブルヒンジ変移プラットホームとの単体構造と加工されいるので、２体構造による接触誤差を除去しただけでなく、エタロンのキャビティ長さと被測定物とエタロンとの間の間隔を測定することもできるが、これは「機械スキャニング法」ではできない。

図８は精密長さ測定システム図を示したもので、この精密長さ測定システムには、光源２０１や、光学コンポー２０２、精密温度制御装置２０６、コンピューター制御システム２０９及び精密フェーズシフト発生装置１０１などが含まれており、精密フェーズシフト発生装置１０１は、前記実施例の精密フェーズシフト発生装置であり、光学コンポー２０２には分光器などが含まれている。光源２０１から出るレーザー光束は光学コンポー２０２を通じて２本の光束に分けられ、それぞれ両側に設置されているレフレクター２０３を通じて分光プリズム２０４に入り、レーザー光束はそれぞれ分光プリズム２０４によって透過されてから、精密温度制御装置２０６に入り、精密フェーズシフト装置１０１のエタロンパネル６に照らされ、再びエタロンパネル６によって、反射光束と透過光束に分けられ、透過光束は精密フェーズシフト装置１０１中に設置されているシリカビーズ２０８の表面によって反射される反射光束とエタロンパネル６によって反射される反射光束との干渉が発生されるが、干渉画像はＣＣＤ２０５によって接収され、コンピューター制御システム２０９に送られる。

精密圧力発生器１３は精密フェーズシフト発生装置１０１中のフレーム１４のサイド壁５の外側に圧力を加え、キャビティ長さを１μｍ以上変化させ、干渉光のフェーズシフトを発生させるが、コンデンサー式マイクロ変移センサーによってキャビティ長さの変化が測定される。

精密圧力発生器３は精密フェーズシフト発生装置１０１中のフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム１５にスラストを加え、フレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム１５に２μｍ以上のマイクロ変移を発生させ、前記干渉光のフェーズソフトを発生させるが、コンデンサー式マイクロ変移センサーによってフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム１５のマイクロ変移が測定される。

コンデンサー式マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号とＣＣＤ２０５のシンクロナス採集信号はコンピューター制御システム２０９に送られる。

コンピューター制御システム２０９は１ｎｍのマイクロ変移間隔で、連続に前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記ＣＣＤ２０５によるシンクロナス信号を採集し、ファイブサンプルフェーズシフト計算方法によって干渉級数の小数部分εを算出する。

本発明によって提供される最適な実施方式の精密測定方法は次の通りである。

先ず温度圧力パラメータが測定条件に適合しているかどうかを確認し、「フェーズシフト法」長さ測定の基本原理に基づき、（Ｄ＝Ｌ−Ｌ１−Ｌ２＝（Ｎ＋ｅ）λ／２、その中、λはレーザー光の波長で、Ｄはシリカビーズの直径、Ｌはキャビティの長さ、Ｌ１、Ｌ２はシリカビーズの表面とエタロンとの間隔である。）総干渉級数Ｎを算出してから、干渉級数の小数部分εを確定する。

直径を測定する前は、先ず変移センサーの修正を行わなければならない。本システムは精密マイクロ変移センサー（即ち精密コンデンサー式マイクロ変移センサー）を使って精密フェーズシフト発生装置１０１によって生じるマイクロ変移を測定するが、この精密マイクロ変移センサーの正確度は０．１ｎｍにも達する。本システムは「キャビティ長さ可変式」エタロンのフェーズシフトを利用して、精密マイクロ変移センサーの測定値を直接レーザー光波長にまで根源追求する。その修正プロセスは２つのステップによって完成される。
（ａ）、最小二掛算による初歩的修正
１ｎｍ間隔の連続変移とそれとのシンクロナス光強度干渉信号を測定し、最小二掛算法を利用して１つ又は複数の位相周期の変移値を推定し、直接レーザー波長と比較して精密マイクロ変移センサーに対する初歩的修正を行うが、初歩的修正の正確率は波長の１％ぐらいである。
（ｂ）、改良型のファイブサンプル計算法による正確修正
前記変移と光強度干渉信号を利用して、連続に約１／８波長の間隔で５つのポイント位置と対応する光強度干渉信号を取る。光強度がそれぞれＩ_１ 、Ｉ_２ 、Ｉ_３ 、Ｉ_４ 、Ｉ_５ であり、ｋ_１ 、ｋ_２ 、ｋ_３ 、ｋ_４ を第１スタートポイントとし、それから４つのポイント位置と１／８波長に対応する倍数の差を取り、波長を割り２πを掛けることによって位相に転換させるので、相応するストライド制御誤差と呼ぶ。すると、

ＣＣＤによってＩ_１ 、Ｉ_２ 、Ｉ_３ 、Ｉ_４ 、Ｉ_５ を測定し、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーを利用してストライド制御誤差ｋ_１ 、ｋ_２ 、ｋ_３ 、ｋ_４ を測定し、多値関数の解を求めることによって初位相φが得られるが、０〜２π範囲のφは干渉級数の小数部分εである。

ファイブサンプルフェーズシフト法の誤差積み重ね原則（文献：羅志勇など。デジタルアナログによる高正確度ファイブフェーズシフト法研究、光学学報、２００６．１１）によって、精密マイクロ変移センサーの初歩的修正値が実際値以下又は以上である場合、同一ポイントの位相は測定位置の距離によって、必ず固定不変のプラス偏差又はマイナス偏差が生じる。そのため、初期値のマイクロ調節方法によって、同一ポイントにおける位相の積み重ね誤差の変化方向が明らかな偏向性がなくなるまで調節することができる。ファイブサンプルフェーズシフト計算法によって修正されたコンデンサー式マイクロ変移センサーの変移測定正確度は０．２ｎｍにも達する。

それからエタロンキャビティ長さの重複性測定を行う。圧力スキャニング法によって、繰り返してエタロンのキャビティ長さを変化させるが、圧力がなくなるとエタロンは元の長さに回復できる。次は、連続１０回の測定結果である（単位：μｍ）。
６．６１９８、６．６１９８、６．６１９３、６．６１９８、６．６１９７、６．６１９９
６．６１９７、６．６１９６、６．６１９６、６．６１９９、６．６１９９、６．６１９９

上記データは、エタロンのキャビティ長さは０．２ｎｍより優れているゼロポイント回復分散性を示したもので、事実上、この分散性にはキャビティ長さの回復能力と測定システムの重複性も含まれている。上記データはキャビティ可変式エタロンは優れたゼロポイント回復特性を持っていることを説明している。

シリカビーズ直径測定には、次の３つのステップが含まれる。

（１）、エタロンパネル６のキャビティ長さＬの小数部分の測定。毎度測定の開始と終了の際は、必ずキャビティ長さＬの測定を行うこと。
エタロンキャビティ長さＬの測定結果は、次の表１の通りである。

上記表１中では、０．００３１８１の弧度測定分散性が得られているが、１．０１ｎｍに相当する。

（２）、シリカビーズ表面と両エタロンパネル６との間の間隔Ｌ１、Ｌ２の測定
次は、両側ビーズとパネル間隔の干渉級数分数の和である。

式ｅ＝ｅ_０ −（ｅ_１ ＋ｅ_２ ）を利用して、シリカビーズ直径の干渉級数の小数部分の位相平均値４．７３５弧度が得られるが、ｅ＝０．７５６５７５で、測定分散性は０．００８４７６位相周期である。

（３）、データ処理：干渉級数は２９５８１２．７５６５７５であり、式Ｄ＝Ｌ−Ｌ１−Ｌ２＝（Ｎ＋ｅ）λ／２によって、シリカビーズ直径を算出するが、シリカビーズ直径は９３．６２３４０５３８８６６ｍｍである。

キャビティ長さＬの測定は、分光器から出る任意光束によって完成されるが、測定の際は先ず１束の光線を遮り、分光プリズム２０４によって透過される１束のレーザー光束が１枚のエタロンパネル６にて透過及び反射されるようにし、透過光束はもう１枚のエタロンパネル６によって反射され、それによって生じる反射光束は前のエタロンパネル６による反射光束と干渉画像が形成されるが、前記干渉画像はＣＣＤ２０５によって接収され、コンピューター制御システムに送られる。精密圧力発生器ＰＺＴ１３によって精密フェーズシフト発生装置１０１中のフレーム１４に圧力を加え、２枚のエタロンパネル６によって構成されたキャビティ長さを変化させ、圧力スキャニングによってフェーズシフトを発生させ、５つの干渉画像が得られるが、ファイブフェーズシフト計算法によって前記キャビティ長さＬが算出される。毎度測定の開始と終了の際は、必ずキャビティ長さＬの測定を行うこと。

計算方法の誤差を低減するために、エタロンパネル６のキャビティ長さの初位相はπの倍数及びその付近のエリアを避けるべく、エタロンパネル６の固定に用いるスクリューノブ７を回転させて、エタロンの初位相を調整し、要求を満たすまで、再びエタロンパネル６のキャビティ長さを測定する。

シリカビーズ２０８の両表面と２枚のエタロンパネル６との間の間隔Ｌ１、Ｌ２を測定する具体的なステップとしては、分光器から出る２束のレーザー光束はそれぞれエタロンパネル６によって反射及び透過され、透過光束はそれぞれシリカビーズ２０８の表面によって反射される反射光束と対応するエタロンパネル６によって反射される反射光束と干渉画像が形成されるが、干渉画像はＣＣＤ２０５によって接収され、コンピューター制御システムに送られる。精密フェーズシフト発生装置１０５中のヒンジマイクロ変移プラットホーム１５によってフェーズシフトが発生し、５つの干渉画像が得られるが、ファイブサンプルフェーズシフト法によって、シリカビーズ２０８の両表面と２枚のエタロンパネル６との間隔Ｌ１、Ｌ２が算出される。

勿論、本発明はその他実施例を採用することもできる。例えば、材料の圧縮係数及び膨張係数の精密測定、長さ計量中の測定値伝達など。本発明のメカニズム及びその他実質を背離しない条件において、本技術分野の技術者より、本発明に対して各種変化と変形を施す場合、これらの変化と変形はいずれも本発明の権利請求保護範囲に属するものとする。

当業者であれば、本発明が上に述べた実施の形態に限定されるものではないこと、そして、添付する請求の範囲に述べられている本発明の精神を逸脱せずに変更、修正が可能であることを理解するであろう。

既存技術を利用した平面波前レーザー干渉法によるシリカビーズ直径測定の光学システムの略図である。 既存技術を利用した球面波前レーザー干渉法によるシリカビーズ直径測定の光学システムの略図である。 フェーズシフト法による長さ測定システムの基本原理図である。 本発明の最適な実施例の精密フェーズシフト発生装置の立体図である。 本発明の最適な実施例の圧力ローディングパーツを有する精密フェーズシフト発生装置の立体図である。 本発明の最適な実施例のフレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホームの設計図である。 本発明の最適な実施例の設計俯瞰図である。 本発明の最適な実施例の精密測定システム図である。

符号の説明

３ 精密圧力発生器
４ 光線通過孔
５ サイド壁
６ エタロンパネル
７ スクリューノブ
８ 上部プラットホーム
１０ 細長い部分
１４ フレーム
１５ フレキシブルヒンジマイクロ変移プラットホーム
１６ アンダー壁
１８ 台座
１９ 右極板
２０ 左極板
１０１ 精密フェーズシフト発生装置
２０１ 光源
２０２ 光学コンポー
２０３ レフレクター
２０４ 分光プリズム
２０６ 精密温度制御装置
２０８ シリカビーズ
２０９ コンピュータ制御システム

Claims (11)

1. フレームとヒンジマイクロ変移プラットホーム及び２枚のエタロンパネルを含んでおり、また、精密コンデンサー式マイクロ変移センサーと第１の精密圧力発生器と第２の精密圧力発生器を含み、
   前記エタロンパネルは、前記フレームの両アンダー壁の内壁に設置され、キャビティを形成し、
   前記エタロンパネルに対応する前記フレームの前記両アンダー壁には、光線通過孔が設置されており、
   レーザー光束は、前記光線通過孔を通じて前記エタロンパネルに着き、前記エタロンパネルによって反射及び透過され、
   前記フレームのサイド壁の外部には、前記第１の精密圧力発生器が設置されており、
   前記第１の精密圧力発生器は、前記フレームの前記サイド壁の外側に圧力を加え、前記キャビティの長さを変化させ、
   前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは、フロントエンドの中部との連結によって一体の構造となっており、
   前記ヒンジマイクロ変移プラットホームと前記フレームの連結ポイントの真下には、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加える前記第２の精密圧力発生器が設置され、
   前記フレームのリアエンド下部の真中には前記キャビティの長さの変化と前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移を測定する精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの左極板が設置されており、前記精密コンデンサー式マイクロ変移センサーの右極板は、前記ヒンジマイクロ変移プラットホーム上の台座に設置されていることを特徴とする精密フェーズシフト発生装置。
2. 前記フレームと前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは、一体に成型されることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
3. 前記フレームは、石英で作られており、
   前記第１の精密圧力発生器が前記フレームの前記サイド壁に対する圧力を除去する場合、前記キャビティの長さは元の長さに回復されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の精密フェーズシフト発生装置。
4. 前記フレームには、前記エタロンパネルが設置されており、
   前記フレームの前記両アンダー壁は、裏側に突き出されており且つ対称であることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
5. 前記フレームの前記両サイド壁の裏側は、アーチ形となっており且つ対称であることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
6. 前記フレームの裏側の４つの隅には、それぞれ１つの隅孔が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
7. 前記エタロンパネルは、３つのスクリューノブによって前記フレームの前記両アンダー壁の裏側の突き出された面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
8. 前記ヒンジマイクロ変移プラットホームは、下部の前記台座と上部プラットホームの２層の構造となっており、
   前記台座と前記上部プラットホームは、一体に成型される細長い部分によって連結されることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
9. 前記左極板と前記右極板の両板は、厳しく正対面且つ平行しており、その間隔が１５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
10. 圧力ローディングパーツを含み、
    前記圧力ローディングパーツは、弓形構造となっており、前記フレームのフロントエンドの外側に嵌められており、
    前記圧力ローディングパーツの中部には、前記フレームの前記アンダー壁の前記光線通過孔と連通される光線通過孔が開けられており、
    前記第１の精密圧力発生器は、前記圧力ローディングパーツの片方溝中に設置されることを特徴とする請求項１に記載の精密フェーズシフト発生装置。
11. 精密フェーズシフト発生装置を含み、また、光源や光学器機、精密温度制御装置とコンピューター制御システムを含んでおり、
    前記精密フェーズシフト発生装置は、前記精密温度制御装置の内部に設置されており、
    前記光学器機には、分光器や、レフレクター、分光プリズム及びＣＣＤなどが含まれており、
    前記光源から出るレーザー光束は、前記分光器によって２束に分けられ、それぞれ両側の前記レフレクターを通じて前記分光プリズムに入るが、前記レーザー光束は、それぞれ前記分光プリズムによって透過されてから前記精密温度制御装置に入り、前記精密フェーズシフト発生装置のエタロンパネルに照らされ、再びそれぞれの前記エタロンパネルによって反射光束と透過光束に分けられるが、前記透過光束は、前記精密フェーズシフト発生装置に設置されている被測定物の表面によって反射された反射光束と前記エタロンパネルによって反射された反射光束との干渉が発生し、
    前記精密フェーズシフト発生装置中の第１の精密圧力発生器は、前記精密フェーズシフト発生装置のフレームのサイド壁の外側に圧力を加え、前記エタロンパネルに構成されたキャビティの長さを１μｍ以上変化させ、前記干渉光にフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記キャビティの長さの変化が測定され、
    前記精密フェーズシフト発生装置中の第２の精密圧力発生器は、前記精密フェーズシフト発生装置中のヒンジマイクロ変移プラットホームにスラストを加え、前記ヒンジマイクロ変移プラットホームを２μｍ以上変移させ、前記干渉光のフェーズシフトを発生させるが、前記精密フェーズシフト発生装置中の精密マイクロ変移センサーによって前記ヒンジマイクロ変移プラットホームの変移が測定され、
    前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記ＣＣＤによってシンクロナスに採集された信号は、前記コンピューター制御システムに送られ、
    前記コンピューター制御システムは、連続のマイクロ変移間隔で前記精密マイクロ変移センサーによって測定されたマイクロ変移信号と前記ＣＣＤによるシンクロナス信号を採集し、ファイブサンプルフェーズシフト計算方法によって干渉級数の小数部分εを算出することを特徴とする精密長さ測定システム。

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