JP5421677B2 - Displacement measuring device using optical interferometer - Google Patents
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Description
本発明は、光干渉計を用いた変位計測装置に関するものであり、nmレベルの微小変位が計測可能な変位計測装置に関するものである。 The present invention relates to a displacement measuring apparatus using an optical interferometer, and more particularly to a displacement measuring apparatus capable of measuring minute displacement at the nm level.
距離または変位量を測定するために、レーザ干渉計が広く使用されている。このような干渉計としては、図8に示すように、レーザ光等の光源34と、該光源34から照射された光を基準光と測定光とに分割するとともに反射された基準光および測定光を干渉させるビームスプリッタ35と、該ビームスプリッタ35からの基準光を反射する基準反射板36と、前記ビームスプリッタ35からの測定光を反射する測定反射板37と、前記基準光と前記測定光との干渉光を検出する光検出器39と、を有している。
Laser interferometers are widely used to measure distance or displacement. As such an interferometer, as shown in FIG. 8, a
このようなレーザ干渉計を用いた変位計測装置31は、図8に示すように、固定部32に光源34と、ビームスプリッタ35、35’と、光検出器39と、基準反射板36と、が設けられ、可動部33に測定反射板37が設けられている。そして例えば板材のような被測定物に固定部32及び可動部33を設置して使用される。そして被測定物がブロック矢印の方向に変形すると、可動部33とともに測定反射板が変位して、図9に示すように、干渉光の波面が変化し、光検出器で検出される干渉光の光強度が変化する。測定に用いる光の波長をλとすると、測定反射板が1波長λ変位すると、明→暗→明または暗→明→暗のように明暗の変化が2回発生する。よって、明暗の変化の回数nを検出することにより、
変位量=n×λ/2・・・(1)
の式を用いて変位量を計測することができる。
As shown in FIG. 8, the
Displacement = n × λ / 2 (1)
The amount of displacement can be measured using the following equation.
しかしながら、このような変位計測装置31は次のような問題点があった。図10に示すように、可動部33に傾きが生じた場合、測定反射板37に傾きが生じて、図11に示すように、測定光の反射光の波面と基準光の反射光との間に傾きが生じる。そしてこの波面の傾きによって細かい干渉縞が発生する。この干渉縞が発生すると、上記式(1)による変位量の計測ができなくなってしまう。
However, such a
そこで本発明では、可動部に傾きが生じても、細かい干渉縞の発生を防止することが可能な変位計測装置を提案する。 Therefore, the present invention proposes a displacement measuring device that can prevent the generation of fine interference fringes even when the movable portion is inclined.
本発明では第一の解決手段として、光干渉計を用いた変位計測装置において、第一のベースと、該第一のベースに対して可動に設置された第二のベースと、を有し、前記第一のベース上には、光源と、該光源から照射された光を基準光と測定光とに分岐させるビームスプリッタと、前記基準光と前記測定光との干渉によって生じた干渉縞を検出する検出器と、が設けられており、前記第二のベース上には、前記基準光を反射する第一の反射板と、前記測定光を反射する第二の反射板と、が設けられており、前記第一の反射板の反射面と前記第二の反射板の反射面は互いに平行になるように設置されており、前記第一の反射板と前記第二の反射板のいずれか一方は、前記第一のベースに設けられた第三の反射板を介して、前記ビームスプリッタからの光が照射される変位計測装置を提案する。 In the present invention, as a first solving means, in a displacement measuring apparatus using an optical interferometer, the first base and a second base that is movably installed with respect to the first base, On the first base, a light source, a beam splitter for branching light emitted from the light source into reference light and measurement light, and interference fringes caused by interference between the reference light and the measurement light are detected. On the second base, a first reflecting plate that reflects the reference light and a second reflecting plate that reflects the measurement light are provided on the second base. The reflecting surface of the first reflecting plate and the reflecting surface of the second reflecting plate are installed so as to be parallel to each other, and either one of the first reflecting plate or the second reflecting plate Through the third reflector provided on the first base, the beam splitter We propose a displacement measurement apparatus al light is irradiated.
ビームスプリッタで分岐された基準光と測定光は、光軸が互いに垂直になる。ここで、基準光または測定光のどちらか一方を第三の反射板に照射することにより、基準光と測定光の光軸が互いに平行になる。このことにより、第一の反射板の反射面と第二の反射板の反射面とを互いに平行なるように設置することができる。第一の反射板と第二の反射板は、両方とも第二のベースに設けられており、反射面が互いに平行になるように設けられているので、基準光の波面と測定光の波面とが常に互いに平行となる。よって、上記第一の解決手段により、波面の傾きによる細かい干渉縞の発生を防止することができる。 The optical axes of the reference light and measurement light branched by the beam splitter are perpendicular to each other. Here, by irradiating either the reference light or the measurement light to the third reflecting plate, the optical axes of the reference light and the measurement light become parallel to each other. Thus, the reflecting surface of the first reflecting plate and the reflecting surface of the second reflecting plate can be installed so as to be parallel to each other. Since the first reflector and the second reflector are both provided on the second base and the reflecting surfaces are provided in parallel to each other, the wavefront of the reference light and the wavefront of the measuring light Are always parallel to each other. Thus, the first solving means can prevent the occurrence of fine interference fringes due to the inclination of the wavefront.
本発明によれば、可動部に傾きが生じても、細かい干渉縞の発生を防止することが可能になる。これにより、nmレベルの微小変位が計測可能な変位計測装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the occurrence of fine interference fringes even when the movable portion is inclined. Thereby, it is possible to obtain a displacement measuring device capable of measuring minute displacement at the nm level.
本発明の変位計測装置に係る実施形態について、図面に基づいて説明する。まず、図1に本発明の変位計測装置の第一の例を示す。 An embodiment according to a displacement measuring apparatus of the present invention will be described based on the drawings. First, FIG. 1 shows a first example of the displacement measuring apparatus of the present invention.
変位計測装置1は、光源4と、光源4から照射される光を測定光と基準光とに分岐するビームスプリッタ5と、ビームスプリッタ5からの測定光を反射する第二の反射板7と、反射面が第二の反射板7の反射面と平行に設置されている第一の反射板6と、ビームスプリッタ5からの基準光を第一の反射板6の方に向けて反射する第三の反射板8と、第一の反射板6で反射された基準光と第二の反射板7で反射された測定光との干渉光を検出する光検出器9と、光源4からの光を透過し干渉光を光検出器9の方へ反射するビームスプリッタ5’と、を備えている。また、必要に応じてλ/4波長板10を設けてもよい。
The
変位計測装置1は、第一のベース2と、第一のベース2に対して可動に設置された第二のベース3と、を有している。第一のベース2には、光源4、ビームスプリッタ5、5’、第三の反射板8、光検出器9およびλ/4波長板10が設けられている。第二のベース3には、第一の反射板6および第二の反射板7が設けられている。以下、第一のベース2を固定部、第二のベースを可動部として説明するが、第一のベース2を可動部、第二のベース3を固定部としてもよい。
The
光源4としては、レーザ光が用いられる。光源4には、図示しないがコリメータレンズ等のレンズ類も含む。光源4は、図示しない制御手段によって、制御される。 Laser light is used as the light source 4. The light source 4 includes lenses such as a collimator lens (not shown). The light source 4 is controlled by control means (not shown).
ビームスプリッタ5、5’には、プリズム等が用いられる。なお、本実施形態においては、光源4からの光を基準光と測定光とに分岐するビームスプリッタ5と、干渉光を光検出器9の方へ反射するビームスプリッタ5’の2つのビームスプリッタを用いているが、両方の作用をひとつのビームスプリッタにもまとめてもよい。
A prism or the like is used for the
光検出器9としては、CCDやCMOSセンサ等の、光の強弱を電気信号に変換する光電変換素子が用いられる。光検出器9は、図示しない信号処理手段と接続されている。光検出器9で発生した電気信号は、図示しない信号処理手段によって処理されて、明暗の変化の回数への変換を経て、第二のベースの変位量に変換される。なお、光検出器9は、センサ部分が2分割あるいはそれ以上の複数の部分に分割されたものを用いてもよい。 As the photodetector 9, a photoelectric conversion element that converts light intensity into an electric signal, such as a CCD or a CMOS sensor, is used. The photodetector 9 is connected to signal processing means (not shown). The electric signal generated by the photodetector 9 is processed by a signal processing means (not shown), converted into the number of changes in brightness, and converted into a displacement amount of the second base. The photodetector 9 may be one in which the sensor part is divided into two or more parts.
第一の反射板6、第二の反射板7および第三の反射板8としては、反射鏡の他、反射率の高い金属板や、樹脂板等が使用される。第一の反射板6と第二の反射板7は、第二のベース3に設けられ、反射面が互いに平行になるように設置されている。ビームスプリッタ5で分岐される測定光と基準光は、互いに直角方向に分岐されるので、いずれか一方は第三の反射板8によって光の方向を変える必要がある。図1では第一の反射板6とビームスプリッタ5との間に第三の反射板8が設けられており、基準光の方向を変えるようにしている。場合によっては、第二の反射板7とビームスプリッタ5との間に第三の反射板8を設けて、測定光の方向を変えるようにしてもよい。第三の反射板8は、第一のベース2に設置されているので、ビームスプリッタ5との位置関係や反射角度は一定になる。
As the first
λ/4波長板10は、必要に応じて設けてもよい。光源4から照射された光は、λ/4波長板10を通過して、λ/4の位相をもつ円偏光になる。第一の反射板6および第二の反射板7によって反射された光は、λ/4波長板10を通過して、円偏光から直線偏光になる。偏光プリズム5’を挿入する場合は、光のロスを抑えることができるのでλ/4入れると好ましい。反射ミラーから直線偏光になって戻ってきた光は、偏光プリズム5’に入射したときに、光源の直線偏光の角度と90度異なる偏光角で入射するため、偏光プリズムでほぼ全光量が反射されて、光検出器9に入射する。
The λ / 4
このような変位計測装置1の作用について、図2に基づいて説明する。図2に示すように、第二のベース3に傾きが生じると、それに伴って第二の反射板7の反射面も傾きを生じる。しかし、第一の反射板6も第二のベース3に設置されているので、第一の反射板6の反射面にも傾きを生じる。第一の反射板6と第二の反射板7の傾きは同じになるので、互いの反射面は常に平行に保たれる。よって基準光の反射光の波面と測定光の反射光の波面との間には傾きが生じない。
The operation of the
第一の反射板6で反射された基準光は、第三の反射板8で方向を変えられて、ビームスプリッタ5を通過して、ビームスプリッタ5’によって光検出器9の方へ照射される。第二の反射板7で反射された測定光は、ビームスプリッタ5によって方向を変えられ、ビームスプリッタ5’によって光検出器9の方へ照射される。第三の反射板8とビームスプリッタ5は、第一のベースに設置されており、反射角度も一定なので、第一の反射板6で反射されかつ第三の反射板8で反射された測定光の反射光と、第二の反射板で反射されかつビームスプリッタ5で反射された測定光は、互いの波面に傾きが生じない。
The direction of the reference light reflected by the first reflecting
基準光の波面と測定光の波面との間に傾きが生じないので、細かい干渉縞が発生しない。これにより、第二のベース3に傾きが生じても、上記(1)式によって変位を計測することが可能になる。 Since no tilt occurs between the wavefront of the reference light and the wavefront of the measurement light, no fine interference fringes are generated. Thereby, even if the second base 3 is inclined, the displacement can be measured by the above equation (1).
次に、参考例に係る変位計測装置について説明する。図3にその参考例に係る変位計測装置の構造を示す。 Next, a description will be given of the displacement measurement equipment according to the reference example. It shows the structure of a displacement measurement equipment according to the reference example in FIG.
この変位計測装置11は、第二のベース13に設けられた第一の反射板16の反射面と第二の反射板17の反射面とが、略同一方向になるように設置されている点で、第一の例の変位計測装置1と異なる。
The
このような構成では、第一の反射板16と第二の反射板17とを並べて設置することができるので、第一の例の変位計測装置1の第二のベース2よりも、上記参考例の変位計測装置11の第二のベース13を小さくすることができる。その結果、変位計測装置全体を小型化することが可能となる。
In such a configuration, the first reflecting
なお、第一の反射板16の反射面と、第二の反射板17の反射面と、が同一面上になるように設置してもよいが、図4に占めすように、第一の反射板16の反射面と、第二の反射板17の反射面のいずれか一方に段差16aを設置してもよい。
In addition, although you may install so that the reflective surface of the 1st
例えば、図4に示すように、段差16aによって、第一の反射板16は2つに分けられ、半分の側に対して、もう半分の側にλ/8の段差が設けられる。これにより、図5に示すように、λ/4の位相差を有する2つの干渉光AおよびBが発生する。図5は、2分割された光検出器19で読み取られた信号をオシロスコープで観察したものである。図4において、第二のベース13が図面の上下方向に変位した場合、一方の方向に変位すると、図5(a)に示すように、干渉光Aが干渉光Bよりλ/4先行する信号が光検出器19で検出される。また、他方の方向に変位すると、図5(b)に示すように、干渉光Aが干渉光Bよりλ/4遅れる信号が光検出器19で検出される。このように、2分割された光検出器19のそれぞれのセンサに発生する位相差を検出することによって、第二のベース13の変位の方向を判別することができる。
For example, as shown in FIG. 4, the
また、第一の反射板16の反射面と、第二の反射板17の反射面と、を同一面上にするように設置する場合、図6に示すように、第一の反射板と第二の反射板とを一体化した反射板16’を用いてもよい。第一の反射板と第二の反射板とを分割して設置した場合、互いの角度を合わせることが必要である。用いる光の波長が短くなると、角度の調整が非常に厳しくなる。しかし、一体化した反射板16’では、角度の調整が容易になるので、角度の調整が厳しい短波長の光を用いる変位計測装置に有効である。
In addition, when the reflecting surface of the first reflecting
また、別の参考例を図7に示す。図7に示す参考例の変位計測装置21は、ビームスプリッタ25で分岐した測定光を第三の反射板28によって方向を変えて、第二の反射板27に照射する点と、第一の反射板26および第二の反射板27が、被測定物に対して垂直に設置されている点で、上記参考例の変位計測装置11と異なる。このような構成では、被測定物がブロック矢印の方向に変形したときの変位角度を計測することができる。
Another reference example is shown in FIG. The
被測定物がブロック矢印の方向に変形すると、第二のベース23と第一のベース22との間に傾きを生じる。この場合、第一の反射板26と第二の反射板27は、反射面が略同一面になるように設置されているので、反射光の波面には傾きは生じない。一方、第二の反射板27は、第一の反射板26よりも被測定物から離れているので、被測定物の変形による移動量は、第一の反射板26よりも第二の反射板27のほうが大きくなる。
When the object to be measured is deformed in the direction of the block arrow, an inclination is generated between the
変位計測装置21は、基準光を反射する第一の反射板26と測定光を反射する第二の反射板27との移動距離の差を検出できる。光検出器29で検出された明暗の変化の回数から移動距離の差を求める。そして、第一の反射板26に照射された基準光のスポットと、第二の反射板27に照射された測定光のスポットとの距離を求めることにより、変位角度を算出することができる。
The
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態に限定されることはなく、本発明の技術範囲内で、種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the technical scope of the present invention.
1、11、21、31 変位計測装置
2、12、22、32 第一のベース(固定部)
3、13、23、33 第二のベース(可動部)
4、14、24、34 光源
5、5’、15、15’、25、25’、35、35’ ビームスプリッタ
6、16、26、36 第一の反射板(基準反射板)
16’ 一体化された反射板
16a 段差
7、17、27、37 第二の反射板(測定反射板)
8、18、28 第三の反射板
9、19、29、39 光検出器
10、20、30、40 λ/4波長板
1, 11, 21, 31
3, 13, 23, 33 Second base (movable part)
4, 14, 24, 34 Light source
5, 5 ', 15, 15', 25, 25 ', 35, 35'
16 '
8, 18, 28
Claims (3)
第一のベースと、
該第一のベースに対して可動に設置された第二のベースと、を有し、
前記第一のベース上には、光源と、該光源から照射された光を基準光と測定光とに分岐させる第一のビームスプリッタと、前記光源から照射された光を透過させ、前記基準光と前記測定光との干渉によって生じた干渉光を反射する第二のビームスプリッタと、前記干渉光による干渉縞を検出する検出器と、が設けられており、
前記第二のベース上には、前記基準光を反射する第一の反射板と、前記測定光を反射する第二の反射板と、が設けられており、
前記第一のベース上には、前記第一のビームスプリッタからの前記基準光を反射する第三の反射板が設けられており、
前記光源、前記第二のビームスプリッタ、前記第一のビームスプリッタおよび前記第三の反射板が、この順で直線上に配置され、
前記第一のビームスプリッタにより前記測定光が前記直線に対して直角に反射され前記第二の反射板に入射し、かつ、前記第三の反射板により前記基準光が前記直線に対して直角に反射され前記第一の反射板に入射するように、前記第一の反射板の反射面と前記第二の反射板の反射面が互いに平行でかつ逆向きに配置されている
ことを特徴とする変位計測装置。 In a displacement measuring device using an optical interferometer,
The first base,
A second base movably installed relative to the first base;
On the first base, a light source, a first beam splitter for branching light emitted from the light source into reference light and measurement light, and transmitting the light emitted from the light source, the reference light is transmitted. And a second beam splitter that reflects the interference light generated by the interference with the measurement light, and a detector that detects interference fringes due to the interference light, and
On the second base, a first reflecting plate that reflects the reference light and a second reflecting plate that reflects the measurement light are provided,
On the first base, a third reflector for reflecting the reference light from the first beam splitter is provided,
The light source, the second beam splitter, the first beam splitter, and the third reflector are arranged in a straight line in this order,
The measurement light is reflected at right angles to the straight line by the first beam splitter and is incident on the second reflecting plate, and the reference light is perpendicular to the straight line by the third reflecting plate. The reflecting surface of the first reflecting plate and the reflecting surface of the second reflecting plate are arranged in parallel and opposite to each other so as to be reflected and incident on the first reflecting plate. Displacement measuring device.
前記第二のベースは、前記第一のベースの前記凸部の外形を囲む凹部を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の変位計測装置。 The first base has a convex portion on which the first beam splitter and the third reflecting plate are arranged,
The displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the second base has a concave portion surrounding an outer shape of the convex portion of the first base.
ことを特徴とする請求項1に記載の変位計測装置。 The displacement measuring device according to claim 1, wherein a step is provided on one of the reflecting surface of the first reflecting plate and the reflecting surface of the second reflecting plate.
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