JPH09280827A - レーザ干渉測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】時間的に見た空気の揺らぎを小さくすることが
でき、これにより精度よく測長ができるレーザ干渉測長
器を得ることにある。 【解決手段】レーザ発振器１からのレーザビームをビー
ムスプリッタ２により測定用ビームと参照用ビームに２
分割し、該測定用ビームを被移動測定物４０に反射させ
て得られる反射ビームと前記参照用ビームを２で重ね合
わせて合波干渉させて干渉光を出射させる干渉計と、干
渉光の強度を検出する光検出器５と、５の検出出力に基
づいて基準点から４０までの長さを測定する測長回路６
とを備え、１と２の間に配設され、１からのレーザビー
ムの直径を拡大するレーザビーム拡大器７と、２と５の
間に配設され、２からの干渉光の直径を縮小するレーザ
ビーム縮小器８を具備したレーザ干渉測長器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定用ビームと参
照用ビームの干渉光に基づいて基準点から被移動測定物
までの長さを測定するレーザ干渉測長器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来のレーザ干渉測長器の一例を
示すブロック図であり、レーザ発振器１と、このレーザ
発振器１からのレーザビーム１ａを測定用ビーム２ａと
参照用ビーム２ｃに２分割すると共に、後述する固定反
射鏡３からの反射ビーム２ｂおよび移動反射鏡４からの
反射参照用ビーム２ｄとを重ね合わせて合波干渉させて
干渉光を出射させるマイケルソン型干渉計の機能を有す
るビームスプリッタ２と、ビームスプリッタ２からの反
射参照用ビーム２ｂを入射してビームスプリッタ２に反
射する固定反射鏡３と、ビームスプリッタ２からの測定
用ビーム２ａを入射してビームスプリッタ２に反射する
移動反射鏡４と、ビームスプリッタ２からの干渉光の強
度を検出する光検出器５と、光検出器５の検出出力を入
力して基準点から被移動測定物４０までの長さを測定す
る測長回路６とから構成されている。

【０００３】このような構成のレーザ干渉測長器は、所
定の分解能を得ることが可能である。しかし、分解能
は、真空中の場合であって、これを大気中で測長した場
合には、測定環境変化、大気の揺らぎ（渦）例えば気温
（大気の温度）、圧力、湿度、気体の組成比の変化によ
るレーザ波長の変化によって測長の測定誤差がもたらさ
れる。

【０００４】図８は光路中の空気揺らぎの影響を模式的
に示したものであり、入射光の波面は空気揺らぎにより
時間的に変化する。このようなことから、従来大気の密
度変化の影響をできるだけ受けないように、下記のよう
に工夫した例が公知である（特開平３ー９９２０３号公
報）。これは、マイケルソン型干渉計を使用したもので
あるが、大気の揺らぎの影響を受ける。その影響は、レ
ーザ光の位相の変化として表れる。このレーザ光の位相
変化の標準偏差σは、近似的に（１）式で表わされる。

【０００５】 σ＝ＣｋＤＬ^0.5 …（１） ここで、Ｃは揺らぎの観測時間および環境パラメータで
決まる定数、 ｋはレーザ波数、 Ｄはレーザビーム直径、 Ｌはビームスプリッタから移動反射鏡までの距離（測定
距離）である。 （１）式において、位相変化を小さく
するには、ｋ，Ｄ，Ｌを小さくすればよい。

【０００６】ところが、距離Ｌは測定対象により定ま
り、レーザ波数ｋを小さくすると、分解能が低下するた
め、前述の公知例は、レーザビーム直径Ｄを小さくする
ようにしている。図７のビームスプリッタ２と移動反射
鏡４の間であって、ビーム径変換器をビームスプリッタ
２寄りの光路中に配置し、ビームスプリッタ２からの平
行光束を縮径した平行光束に変換し、移動反射鏡４から
の平行光束を拡径した平行光束に変換したものである。
このように構成することにより、理論的には測長に対す
る大気の揺らぎの影響を低減することができると考えら
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
公知例は、（１）式の近似式が基になっている。この
（１）式は、真空チャンバあるいは理想的な（環境変化
の全くない）サーマルチャンバを通るレーザ光の位相
（真空チャンバ内では位相変化がない）と、現実の測定
状態での位相との偏差を、ある時間におけるビーム径内
でいっている。すなわち、ビーム径内では、大気の揺ら
ぎにより位相が乱れているため、ビーム直径を小さくし
て位相の変化を小さく抑えようとするものである。しか
し、前述の公知例では、位相変化としてはビーム径内の
面積的な（空間的な）変化にのみ着目したものである。

【０００８】ところが、測定の精度を良く保つには、空
間的な位相変化に着目するだけでなく、時間的な位相の
変化を考えなければならない。この時間的な位相の変化
を小さくしようとすると考えた場合には、小さなビーム
径では、ビームの走っている光路上を空気の渦が通過し
ていくたびに、位相が大きく揺らぐことになる。そし
て、ビーム直径が小さいと小さなサイズの渦の影響を受
けてしまうからである。そこで、本発明は時間的に見た
空気の揺らぎを小さくすることができ、これにより精度
よく測長ができるレーザ干渉測長器を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、レーザ光源から出射さ
れたレーザビームをビームスプリッタにより測定用ビー
ムと参照用ビームに２分割し、該測定用ビームを被移動
測定物に反射させて得られる反射ビームと前記参照用ビ
ームとを前記ビームスプリッタで合波干渉させて干渉光
を出射させる干渉計と、前記干渉光の強度を検出する光
検出器と、この光検出器の検出出力に基づいて基準点か
ら前記被移動測定物までの長さを測定する測長回路とを
備えたレーザ干渉測長器において、前記レーザ光源と前
記ビームスプリッタの間に配設され、前記レーザ光源か
らのレーザビームの直径を拡大するレーザビーム拡大器
と、前記ビームスプリッタと前記光検出器の間に配設さ
れ、前記ビームスプリッタからの干渉光の直径を縮小す
るレーザビーム縮小器を具備したレーザ干渉測長器であ
る。

【００１０】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、請求項１記載のレーザ干渉測長器におい
て、前記レーザビーム拡大器およびレーザビーム縮小器
は、球面収差の補正された凸レンズと、この凸レンズに
対して所定間隔を存して配設され平行光束を得るコリメ
ータレンズと、このコリメータレンズと前記凸レンズ間
に配設されるピンホールスリット部材で構成したことを
特徴とするレーザ干渉測長器である。

【００１１】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、請求項１記載のレーザ干渉測長器におい
て、前記レーザビーム拡大器およびレーザビーム縮小器
は、球面収差の補正された凸レンズと、この凸レンズに
対して所定間隔を存して配設され平行光束を得るコリメ
ータレンズとで構成したことを特徴とするレーザ干渉測
長器である。

【００１２】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、請求項１記載のレーザ干渉測長器におい
て、前記レーザビーム拡大器およびレーザビーム縮小器
は、２枚のプリズムの頂角が逆方向でかつ互いに所定間
隔を存して対向配置されるように構成したことを特徴と
するレーザ干渉測長器である。

【００１３】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、レーザ光源から出射されたレーザビームを
ビームスプリッタにより測定用ビームと参照用ビームに
２分割し、該測定用ビームを被移動測定物に反射させて
得られる反射ビームと前記参照用ビームとを前記ビーム
スプリッタで合波干渉させて干渉光を出射させる干渉計
と、前記干渉光の強度を検出する光検出器と、この光検
出器の検出出力に基づいて基準点から前記被移動測定物
までの長さを測定する測長回路とを備えたレーザ干渉測
長器において、前記ビームスプリッタと前記被移動測定
物の間の光路中の空気を強制的に整流すると共に、温度
制御可能な手段を備えたレーザ干渉測長器である。

【００１４】請求項１〜請求項４に対応する発明によれ
ば、レーザ光源とビームスプリッタの間に配設され、レ
ーザ光源からのレーザビームの直径を拡大するレーザビ
ーム拡大器を設けたので、空気揺らぎを小さくすること
が可能になり、これにより被移動測定物の移動距離を精
度よく測長できる。

【００１５】請求項５に対応する発明によれば、ビーム
スプリッタと被移動測定物の間の光路中の空気を強制的
に整流すると共に温度制御可能な手段を設けたので、空
気揺らぎを小さくすることが可能になり、これにより被
移動測定物の移動距離を精度よく測長できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明に
よるレーザ干渉測長器の第１実施形態は、図７に示す従
来例にレーザビーム拡大器７とレーザビーム縮小器８を
追加した点のみが、図７の従来例とは異なる。

【００１７】レーザビーム拡大器７は、レーザ発振器１
とビームスプリッタ２の間に配設され、レーザ発振器１
からのレーザビームの直径を拡大するものである。レー
ザビーム縮小器８は、ビームスプリッタ２と光検出器５
の間に配設され、ビームスプリッタ２からの干渉光の直
径を縮小するものである。

【００１８】レーザビーム拡大器７の第１の例として
は、図２に示すように球面収差が補正された凸レンズ７
ａ例えば顕微鏡用対物レンズ７ａとコリメータレンズ７
ｂを互いに間隔を存して配置し、その両者間の光軸上に
ピンホールスリットを有するピンホールスリット部材７
ｃを配置したものである。

【００１９】このようにレーザビーム拡大器７を構成す
ることにより、通常レーザビーム直径が３〜８mmである
ものを、２０〜５０mmに拡大できる。この場合、レーザ
ビーム直径を５０mm以上に拡大できればよいが、実際に
これに合うものを製作すると、製作コストが高くなるこ
とと、測長エラー［余弦（COS ）エラー］が大きく出や
すいことから、２０〜５０mmに拡大できるものを使用す
る。

【００２０】以上述べた実施形態によれば、以下のよう
な作用効果が得られる。すなわち、レーザ発振器１から
出射したレーザ光は、レーザビーム拡大器７によりレー
ザビーム直径が拡大される。これによりビームスプリッ
タ２以降（干渉計以降）、反射鏡３，４までの測長空間
においてレーザビーム直径が拡げられ、空気揺らぎに強
くなる。これは、レーザビーム直径が拡げられると、レ
ーザビームの入射光の波面の相対的変動が小さくなり、
小さな空気の渦の影響が受けにくくなるからである。

【００２１】ここで、レーザビーム拡大器７により拡大
されたレーザビームはビームスプリッタ２により２分割
された一方のレーザ光が固定反射鏡３により反射されて
得られる参照用ビームと、ビームスプリッタ２により２
分割された他方のレーザ光が移動反射鏡４により反射さ
れて得られる測定用ビームは、ビームスプリッタ２によ
り重ね合わされて合波干渉光が光検出器５側に出射され
る。この場合、ビームスプリッタ２から出射される干渉
光は、レーザビーム縮小器８に入射され、レーザビーム
直径が縮小され、この縮小されたレーザビームの干渉光
は、光検出器５に入射され、ここで干渉光の強度が検出
される。そして、測長回路６において光検出器５の検出
出力が入力され、ここで基準点から被移動測定物４０ま
での長さが求められる。

【００２２】図２のレーザビーム拡大器７は、ピンホー
ル部材７ｃを備えているので、このピンホールスリット
で周辺の光をカットできることから凸レンズ７ａの球面
収差を排除できる。

【００２３】図６は図７の従来例を用いて本発明の図１
の実施形態と同様な効果を得るための構想図である。す
なわち、図７に示すレーザ発振器１、ビームスプリッタ
２、固定反射鏡３、移動反射鏡４、光検出器５、測長回
路６からなるレーザ干渉測長器を４台用いて同一移動測
定物４０の移動距離を測定するようにしたものである。
この構想の場合には、レーザビーム直径が３〜８mmと細
いため、各測長回路６で得られた測長値を平均化する必
要があり、このため測長値平均化回路１５を備える必要
がある。これに対して、本発明の実施形態ではビームス
プリッタ２に入射されるレーザビーム直径が２０〜５０
mmと太いため、レーザ干渉測長器１台で空間的に平均化
された（時間軸での平均化ではない）された値を求める
ことができる。

【００２４】レーザビーム拡大器７の第２の例として
は、図３に示すように凸レンズ７ａとコリメータレンズ
７ｂを互いに間隔を存して配置したものである。この場
合には、球面収差があまり問題にならない用途に適して
おり、図２のレーザビーム拡大器７に比べて構成が簡単
である。

【００２５】レーザビーム拡大器７の第３の例として
は、図４に示すように２つのプリズム７ｄ，７ｅを、こ
れらの頂角が逆方向でかつ互いに所定間隔を存して対向
配置されるように構成したアナモルフィック・プリズム
である。この場合、奥行がなく幅方向のみのとき、つま
りスリット光のとき使用する。図４の例では、レーザビ
ームの直径が広がらず、１軸のみのレーザビーム直径が
広がるが、空気の揺らぎの影響を小さく抑えることがで
きる。

【００２６】レーザビーム縮小器８としては、図２〜図
４のレーザビーム拡大器７のいずれかを使用し、レーザ
ビームの進行方向を逆とすることにより、レーザビーム
直径を縮小できる。

【００２７】なお、レーザビーム拡大器７またはレーザ
ビーム縮小器８は、レーザビームの直径が１mm以下のと
きは、凸レンズ１枚で、球面収差がなく集光できるが、
レーザビームの直径が２mm以上のときは球面収差等が発
生しやすく、１枚（単レンズ）では性能上問題が出てく
る。このようなことから、レーザビーム拡大器７または
レーザビーム縮小器８に使用する凸レンズとしては、球
面収差の補正されたレンズ例えば顕微鏡の対物レンズを
使用するのが望ましい。

【００２８】図５は本発明の第２実施形態を説明するた
めの図であり、図７の従来例のビームスプリッタ２と移
動反射鏡４の間の光路中に、生ずる熱対流を排除するた
めに以下のようなエアダクト９、送風機１０、ヒータ１
１、整流器１２からなる強制熱対流排除手段を設けたも
のである。すなわち、ビームスプリッタ２と移動反射鏡
４の間の光路中に空気を導くためのエアダクト９の一方
の開口端部を位置させ、エアダクト９の他方の開口端部
を空気を導入可能な位置に配置してある。エアダクト９
の内部には、送風機１０およびヒータ１１を配設し、エ
アダクト９の一方の開口端部側に空気の流れを整流する
ための整流器１２を配置したものである。 このように
構成することにより、ビームスプリッタ２と移動反射鏡
４の間の光路中に、温度制御可能なヒータ１１により加
熱された空気が送風機１０により強制的に送風され、こ
の送風された空気は整流器１２を介して該光路に吹き付
けられるので、該光路に存在している小さな渦スケール
の乱流に整流されることから、該光路中の空気の揺らぎ
を防止することができる。

【００２９】以上述べた強制熱対流排除手段がない従来
例にあっては、ビームスプリッタ２と移動反射鏡４の間
の光路中の空気に、圧力、温度、湿度、ガス組成比の変
化の少なくとも一つが変化すると、レーザ干渉測長器の
測長データが変化してしまうことがある。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、時間的に見た空気の揺
らぎを小さくすることができ、これにより精度よく測長
ができるレーザ干渉測長器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ干渉測長器の第１実施形態
を示すブロック図。

【図２】図１のレーザビーム拡大器の第１例を示す図。

【図３】図１のレーザビーム拡大器の第２例を示す図。

【図４】図１のレーザビーム拡大器の第３例を示す図。

【図５】本発明によるレーザ干渉測長器の第２実施形態
を示すブロック図。

【図６】本発明によるレーザ干渉測長器の第１実施形態
の原理を説明するためのブロック図。

【図７】従来のレーザ干渉測長器の第１の例を説明する
ためのブロック図。

【図８】図７の問題点を説明するための図。

【符号の説明】

１…レーザ発振器、２…ビームスプリッタ、３…固定反
射鏡、４…移動反射鏡、５…光検出器、６…測長回路、
７…レーザビーム拡大器、８…レーザビーム縮小器、９
…エヤーダクト、１０…送風機、１１…ヒータ、４０…
被移動測定物。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源から出射されたレーザビーム
   をビームスプリッタにより測定用ビームと参照用ビーム
   に２分割し、該測定用ビームを被移動測定物に反射させ
   て得られる反射ビームと前記参照用ビームとを前記ビー
   ムスプリッタで合波干渉させて干渉光を出射させる干渉
   計と、前記干渉光の強度を検出する光検出器と、この光
   検出器の検出出力に基づいて基準点から前記被移動測定
   物までの長さを測定する測長回路とを備えたレーザ干渉
   測長器において、 前記レーザ光源と前記ビームスプリッタの間に配設さ
   れ、前記レーザ光源からのレーザビームの直径を拡大す
   るレーザビーム拡大器と、 前記ビームスプリッタと前記光検出器の間に配設され、
   前記ビームスプリッタからの干渉光の直径を縮小するレ
   ーザビーム縮小器と、 を具備したレーザ干渉測長器。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ干渉測長器におい
   て、前記レーザビーム拡大器およびレーザビーム縮小器
   は、球面収差の補正された凸レンズと、この凸レンズに
   対して所定間隔を存して配設され平行光束を得るコリメ
   ータレンズと、このコリメータレンズと前記凸レンズ間
   に配設されるピンホールスリット部材で構成したことを
   特徴とするレーザ干渉測長器。
3. 【請求項３】 請求項１記載のレーザ干渉測長器におい
   て、前記レーザビーム拡大器およびレーザビーム縮小器
   は、球面収差の補正された凸レンズと、この凸レンズに
   対して所定間隔を存して配設され平行光束を得るコリメ
   ータレンズとで構成したことを特徴とするレーザ干渉測
   長器。
4. 【請求項４】 請求項１記載のレーザ干渉測長器におい
   て、前記レーザビーム拡大器およびレーザビーム縮小器
   は、２枚のプリズムの頂角が逆方向でかつ互いに所定間
   隔を存して対向配置されるように構成したことを特徴と
   するレーザ干渉測長器。
5. 【請求項５】 レーザ光源から出射されたレーザビーム
   をビームスプリッタにより測定用ビームと参照用ビーム
   に２分割し、該測定用ビームを被移動測定物に反射させ
   て得られる反射ビームと前記参照用ビームとを前記ビー
   ムスプリッタで合波干渉させて干渉光を出射させる干渉
   計と、前記干渉光の強度を検出する光検出器と、この光
   検出器の検出出力に基づいて基準点から前記被移動測定
   物までの長さを測定する測長回路とを備えたレーザ干渉
   測長器において、 前記ビームスプリッタと前記被移動測定物の間の光路中
   の空気を強制的に整流すると共に、温度制御可能な手段
   を備えたレーザ干渉測長器。