JP6699054B2 - 振動緩衝機構を備えた光干渉長さ測定装置 - Google Patents
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Description
このような測定装置では、被測定対象が位置する空間の温度を変化させ、変化前の長さと変化後の長さとから被測定対象の膨張係数を計測する。
また、この構成によれば、前記第1のタンクに収容された緩衝液が、設置面で生じた振動を吸収し、前記被検面に伝わらないようにできる。
本実施形態の測定装置は、参照面と被検面とにそれぞれ照射した光を干渉させて、前記参照面と前記被検面との間の長さを測定する光干渉長さ測定装置である。
図1は、本発明の実施形態に係わる測定装置1の外観斜視図である。図2は、図1に示す測定装置1を側面方向から見た図である。図3は図1に示す断面線A−Aの断面図である。
第2の基台13には、円周方向に等間隔に3つのオイルタンク31(1),31(2),31(3)が固定されている。
オイルタンク31(1),31(2),31(3)の緩衝液内には、浮体21(1),21(2),21(3)がそれぞれ浮いている。
また、円板17の外側には、板バネ25(本発明の弾性部材の一例)を介してリング状部材27(本発明の第2の部材の一例)が設けられている。
リング状部材27は、その下方に位置するリング状部材29と3本の支柱で結合されている。
リング状部材29の内側には、板バネ23を介して円板15が固定されている。円板15の中心には上部ミラー支持部9が固定されている。
リング状部材29の外周の対向する2箇所にはスライドガイド33(1),33(2)が固定されている。
また、第2の基台13には、スライドガイド33(1),33(2)と対向する位置にスライドガイド固定用支柱39(1),39(2)が設けられている。
スライドガイド33(1),33(2)によって、リング状部材29の重力方向(本発明の光軸方向の一例)の移動がガイドされる。
測定装置1では、上部ミラー支持部9の粗動がスライドガイド33(1),33(2)によって抑制され、上部ミラー支持部9の微動が板バネ25及び板バネ23によって抑制される。
上部ミラー支持部9内には、第2の基台13に固定された下部ミラー支持部53が上部ミラー支持部9とは非接触で設置されている。下部ミラー支持部53には、下部ミラー55(本発明の参照面の一例)が固定されている。下部ミラー支持部53は円筒状である。下部ミラー55の反射面は上部ミラー51側に位置している。
また、第1の基台11には、光源151と受光部153とが設けられている。光源151及び受光部153は、重力方向において光学部41と同じ高さに設けられている。
受光部153は、複数の受光素子を備えたCCDセンサであり、光学部41からの光(合成光)を受光する。
演算部35は、光学部41の受光結果を基に、上部ミラー51と下部ミラー55との間の距離、すなわち、被測定対象7の長さを算出する。具体的には、演算部35は、受光結果を基に、マイケルソン干渉法による演算を行い、干渉縞の移動量を算出し、それを基に被測定対象7の膨張量を算出する。
リザーブタンク(本発明の第2のタンクの一例)61は、オイルタンク31(1),31(2),31(3)(本発明の第1のタンクの一例)との間に緩衝液の流路を備え、当該オイルタンク31(1),31(2),31(3)に比べて多くの緩衝液を収容している。緩衝液は、例えばシリコンオイルである。
図7に示すように、測定装置1では、重力方向(図7中上下方向)の異なる位置にある上部ミラー51と下部ミラー55とによって被測定対象7が挟み込まれて保持されている。測定装置1は、被測定対象7の重力方向の距離、あるいはその変化を測定する。
光学部41は、第1の光学部411及び第2の光学部413が一体的に成形されている。
第1の光学部411は、偏光無依存の台形ビームスプリッタである。
第1の光学部411は、光源151からの第1の光のL1一部の第2の光L2を第1の方向X1に向けて透過し、残りの第3の光L31をY2方向に向けて反射する第1の光分離面411aを有する。第1の光分離面411aは、ハーフミラーである。
また、第1の光学部411は、第1の光分離面411aで反射された第3の光L31をX1方向に向けて反射する第1の面S1を有する。
受光部153は、合成光L6を受光する。
また、光源151からの第1の光L1の入射面S11への入射方向と水平方向(X1−X2:第1の方向)とは平行である。
第2の光学部413から第1の光学部411に入射した第4の光L45は、第1の光分離面411aに入射せずに第1の面S1に入射する。
第2の光学部413の上部に位置する1/4波長板415は、通過する光の直線偏光を円偏光に変換し、通過する光の円偏光を直線偏光に変換する。
第2の光L21は、1/4波長板415を通過して円偏光に変換され上部ミラー51で反射され、その反射光である第4の光L41が、1/4波長板415を通過してL21と偏光軸が直交する直線偏光に変換され
第2の光分離面413aを透過して第2の光学部413の第2の面S2に入射する。
第4の光L41は第2の面S2で第3の面S3に向けて第4の光L42として反射され、その第3の面S3での反射光である第4の光L43が第2の光分離面413aを透過して1/4波長板415を通過して円偏光に変換されて上部ミラー51に入射する。
第4の光L43は、上部ミラー51で反射され、その反射光である第4の光L44が、1/4波長板415を通過してL43と偏光軸が直交する直線偏光に変換されて第2の光分離面413aで第1の光学部411に向けて第4の光L45として反射される。
第3の光L33は、1/4波長板415を通過して円偏光に変換され下部ミラー55で反射され、その反射光である第5の光L51が、1/4波長板415を通過してL33と偏光軸が直交する直線偏光に変換され第2の光分離面413aを透過して第2の光学部413の第3の面S3に入射する。
第5の光L53は、下部ミラー55で反射され、その反射光である第5の光L54が、1/4波長板415を通過してL53と偏光軸が直交する直線偏光に変換されて第2の光分離面413aで第1の光学部411に向けて第5の光L55として反射される。
また、測定装置1では、温度変化に応じた上記距離の変化を測定することで、上部ミラー51と下部ミラー55との間に設置された被測定対象7の熱膨張を測定できる。
また、第4の光L46と、第5の光L55とを第1の光分離面411aで干渉させることで第6の光L6(合成光)に生じる縞パターンは、上記光路差の変化によって移動する。演算部35では、受光部153の受光結果から、当該移動量を検出することにより、被測定対象7の熱膨張率を検出する。
これは、第1の光学部411として台形ビームスプリッタを用いたことで可能になった。なお、従来は、プレート状のビームスプリッタを用いていたため、一体化できなかった。
前述したように、測定装置1では、図3に示すように、オイルタンク31(1),31(2),31(3)に収容された緩衝液内に、浮体21(1),21(2),21(3)がそれぞれ浮いている。
上部ミラー支持部9及び上部ミラー51は、浮体21(1),21(2),21(3)と一体となって重力方向(Y1−Y2方向)に移動する。
また、単に浮いているだけだと、被測定対象7の上部を支点として傾きや平行移動が発生してしまうので、スライドガイド33(1),33(2)によって、リング状部材29及びリング状部材27(上部ミラー51)の重力方向の移動がガイドされている。このとき、図4等に示す板バネ25及び板バネ23(平行移動バネ)の組み合わせにより、傾きや平行移動が発生せず、上部ミラー51が重力方向(上下方向)にのみ動く。
ここで、上部ミラー51は、緩衝液に浮いているだけの状態であるため、被測定対象7を介して下部ミラー55と同一の振動状態となる。その結果、被測定対象7の距離の計算(上部ミラー光路長−下部ミラー光路長)では、振動の影響は打ち消しあって、結果に影響しない。
また、上部ミラー51を浮かせるための緩衝液は、粘性流体であるシリコンオイルを使用しているため、オイルのダンピング効果により振動そのものも低減させる効果がある。
図9において、「A0」は、第2の基台13の表面から下部ミラー55までの重力方向の光路長55(L)を示す。また、「B0」は、第2の基台13の表面から上部ミラー51までの重力方向の光路長51(L)を示す。
[数1]
光路長55(L)=A0+δA ・・・(1)
光路長51(L)=B0+δA ・・・(2)
光路長51(L)−光路長55(L)=(A0+δA)−(B0+δA)=A0−B0 ・・・(3)
また、被測定対象7の長さの測定時のμm〜nmレベルの小さな動的な振動は、板バネ23,25のバネ性およびオイルダンパのダンピング効果で吸収・制振する。
被測定対象7の熱膨張による静的な伸び(測定対象)は極微小量であるため、緩衝液面に浮きつつ、板バネ23,25が極微小量の弾性変形をすることにより、板バネ23,25の内側部分の上下動は妨げられない。
図10は、図1に示す測定装置1の温度制御(保温)機構を説明するための断面構成図である。
測定装置1は、上部ミラー51と下部ミラー55との間に保持された被測定対象7が位置する第1の領域71を加熱する第1の温度制御部73を有する。
第1の温度制御部73は、内部に第1の領域71を形成する第1熱伝導部81(ラビリンスシールド)と、その外側に位置するペルチェ素子83とを有する。
筒状の上部ミラー支持部9の内側に第1の領域71が形成されている。
また、第1の温度制御部73は、第1の領域71をペルチェ素子83で加熱して温度制御するため、第2の温度制御部173による温度制御により第2の領域93に生じる温度のゆらぎを高い応答性で制御できる。
これにより、被測定対象7が位置する第1の領域71の温度制御を高精度に行うことができる。
当該開口部を介して、第1の領域71及び第2の領域93の外側に位置する光源151からの光が上部ミラー51及び下部ミラー55に照射されると共に、その反射光が受光部153に出射される。
図11に示すように、第1の領域71を形成する第1熱伝導部81は、上部ミラー支持部9との接触部に、重力方向(Z1−Z2方向)である光の進行方向に対して所定間隔で設けられた複数の空間領域121a,121bを有している。
ここで、空間領域121bは空間領域121aに比べて体積が大きい。すなわち、リング状領域の径が長い。また、空間領域121aと空間領域121bとは重力方向(Z1−Z2方向)に交互に位置している。
また、この構成によれば、空間領域121a,121bで渦流が生じ、第1熱伝導部81と上部ミラー支持部9との接触部における空気が流れ難くなり、熱伝導性を落とすことができる。
測定装置1は、第1の領域71内の被測定対象7の近傍に設けられた第1の温度計131を有する。
また、測定装置1は、第1熱伝導部81の上部ミラー支持部9との接触部付近に設けられた第2の温度計133を有する。
また、測定装置1は、ヒートシンク95の近傍に設けられ、第2の領域93の温度を計測する第3の温度計135を有する。
図13は、被測定対象7が位置する第1の領域71の温度と、測定装置1の外気温度とを時間軸で示す図である。
図13から分かるように、外気温度が変化しても、第1の領域71の温度を安定している。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
7…被測定対象
9…上部ミラー支持部
11…第1の基台
13…第2の基台
17…円板
23,25…板バネ
21(1),21(2),21(3)…浮体
27,29…リング状部材
31(1),31(2),31(3)…オイルタンク
33(1),33(2)…スライドガイド
39(1),39(2)…スライドガイド
41…光学部
51…上部ミラー
53…下部ミラー支持部
55…下部ミラー
61…リザーブタンク
71…第1の領域
73…第1の温度制御部
81…第1熱伝導部
93…第2の領域
131…第1の温度計
133…第2の温度計
135…第3の温度計
151…光源
153…受光部
173…第2の温度制御部
411…第1の光学部
411a…第1の光分離面
413…第2の光学部
413a…第2の光分離面
415…1/4波長板
Claims (6)
- 参照面と被検面とにそれぞれ照射した光を干渉させて、前記参照面と前記被検面との間の長さを測定する光干渉長さ測定装置であって、
前記参照面と前記被検面の少なくとも一方を、設置面から振動を緩衝して支持する緩衝手段と、
被測定対象の一端と接触する前記被検面を備えた第1のミラーを支持する第1の支持部と、
前記被測定対象の他端と接触する前記参照面を備えた第2のミラーを支持する第2の支持部と
を有し、
前記緩衝手段は、
緩衝液を収容する第1のタンクと、
前記第1のタンク内に浮き、前記第1の支持部と一体となって前記光の光軸方向に移動する浮体とを有する
測定装置。 - 前記第1の支持部は、筒体であり、前記浮体と一体となって前記光軸方向に移動し、
前記第2の支持部は、前記筒体内に前記当該筒体と非接触で位置する
請求項1に記載の測定装置。 - 前記緩衝手段は、
前記第1の支持部の外側に固定された第1の部材と、
前記光軸方向に移動可能であり、前記光軸方向と直交する方向の移動と傾きが規制された第2の部材と、
前記第1の部材と前記第2の部材との間に介在する弾性部材と
を有する
請求項2に記載の測定装置。 - 前記第1のタンクとの間に前記緩衝液の流路を備え、当該第1のタンクに比べて多くの前記緩衝液を収容する第2のタンク
をさらに有する請求項1〜3いずれかに記載の測定装置。 - 光源からの第1の光を第2の光と第3の光に分離し、前記第2の光を重力方向に前記被検面に向けて出射し、前記第3の光を重力方向に前記参照面に向けて出射し、前記被検面における前記第2の光の反射光である第4の光と、前記参照面における前記第3の光の反射光である第5の光との合成光を受光手段に向けて出射する光学手段
を有する請求項1〜4のいずれかに記載の測定装置。 - 前記光軸方向は重力方向である
請求項1〜5のいずれかに記載の測定装置。
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