JPS61219802A - 変位の光学的測定装置 - Google Patents
変位の光学的測定装置Info
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- JPS61219802A JPS61219802A JP60060580A JP6058085A JPS61219802A JP S61219802 A JPS61219802 A JP S61219802A JP 60060580 A JP60060580 A JP 60060580A JP 6058085 A JP6058085 A JP 6058085A JP S61219802 A JPS61219802 A JP S61219802A
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- circuit
- phase
- light
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
- G01B9/02075—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration of particular errors
- G01B9/02078—Caused by ambiguity
- G01B9/02079—Quadrature detection, i.e. detecting relatively phase-shifted signals
- G01B9/02081—Quadrature detection, i.e. detecting relatively phase-shifted signals simultaneous quadrature detection, e.g. by spatial phase shifting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02083—Interferometers characterised by particular signal processing and presentation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
- G01B2290/70—Using polarization in the interferometer
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、例えば半導体製造装置や座標測定器のように
正確な位置決めを必要とする機械の変位計測などに利用
される変位の光学的測定装置に関するものである。
正確な位置決めを必要とする機械の変位計測などに利用
される変位の光学的測定装置に関するものである。
測定対象物の変位を光学的に測定する方法としては例え
ば特開昭５５−７５６０３号公報に開示された干渉測定
法がある。この方法は、基準面と被測定面に光を照射し
、得られた反射光の位相を移相器によって周期的かつ強
制的に変化させ、被測定物の変位によって発生する位相
変位が移相器によって補償された瞬間の移相量から変化
型を求めるものである。
ば特開昭５５−７５６０３号公報に開示された干渉測定
法がある。この方法は、基準面と被測定面に光を照射し
、得られた反射光の位相を移相器によって周期的かつ強
制的に変化させ、被測定物の変位によって発生する位相
変位が移相器によって補償された瞬間の移相量から変化
型を求めるものである。
しかし、この方法は、 ２１１！！定範囲が使用する光
源の波長の約半分と狭く１位置決め用の変位センサとし
ては使えない、また、たとえ微小変位の計測に限ったと
しても、測定範囲で限られるため、測定前にバビネーソ
レイユ補償器を使って反射光の位相を調節し、測定範囲
の中央から測定を開始するようにする必要があり、この
初期設定に時間がかかる。
源の波長の約半分と狭く１位置決め用の変位センサとし
ては使えない、また、たとえ微小変位の計測に限ったと
しても、測定範囲で限られるため、測定前にバビネーソ
レイユ補償器を使って反射光の位相を調節し、測定範囲
の中央から測定を開始するようにする必要があり、この
初期設定に時間がかかる。
本発明は、上記の点に鑑み、測定範囲が広く。
初期設定を必要としない変位の光学的測定装置を提供す
ることである。
ることである。
従来法において、測定対象物が例えば正の方向に測定範
囲を越えて動くと１反射先の位相差を補償した瞬間の移
相量、すなわち測定値は、最初は測定範囲内の中央に初
期設定しであるものがそこから徐々に増加し、最大値に
達すると最大値から最小値へと不連続的に変化し、再び
中央にもどるというサイクルをくり返す、いま、光源へ
の波長をλとすれば、この−周期は一定変位量（λ／２
）に対応しているのでこの不連続的変化をカウントすれ
ば測定範囲を広くすることができる。
囲を越えて動くと１反射先の位相差を補償した瞬間の移
相量、すなわち測定値は、最初は測定範囲内の中央に初
期設定しであるものがそこから徐々に増加し、最大値に
達すると最大値から最小値へと不連続的に変化し、再び
中央にもどるというサイクルをくり返す、いま、光源へ
の波長をλとすれば、この−周期は一定変位量（λ／２
）に対応しているのでこの不連続的変化をカウントすれ
ば測定範囲を広くすることができる。
以下、本発明の一実施例を第１図〜第１３図を使って説
明する。第１図において、１はコヒーレントな直線偏光
を発する光源で、直線偏光の振動面は紙面と４５度の角
をなす方向である。２は偏光ビームスプリッタ（以下Ｐ
、Ｂ、Ｓ、という）で紙面に垂直な振動面を持つ光は反
射し１紙面と平行な振＃１面を持つ光は透過させる。３
．４は一波長板で直線偏光がこれを一往復すると振動面
が９０度回転する。５は基準面で、６は測定対象物であ
る。７は移相器で１例えばポッケルス効果を有する電気
光学結晶である。この電気光学結晶に電圧を印加するこ
とにより１紙面に垂直な振動面を持つ光に対する屈折率
と平行な振動面を持つ光に対する屈折率を変化させ２つ
の光の位相差を制御する。８は偏光板で紙面と４５度の
角をなす振動成分のみを透過させる。９は光検出器、１
０はサンプリング回路である。このサンプリング回路１
０は、微分回＋ＪＩＳｌｌ、コンパレータ１２．単安定
マルチバイブレータ１３．ゲート回路１４゜ＡＮＤ回路
１５、サンプルホールド回路１６から成る。ここで単安
定マルチバイブレータ１３はコンパレータ１２の立ち下
がりでトリガされる。
明する。第１図において、１はコヒーレントな直線偏光
を発する光源で、直線偏光の振動面は紙面と４５度の角
をなす方向である。２は偏光ビームスプリッタ（以下Ｐ
、Ｂ、Ｓ、という）で紙面に垂直な振動面を持つ光は反
射し１紙面と平行な振＃１面を持つ光は透過させる。３
．４は一波長板で直線偏光がこれを一往復すると振動面
が９０度回転する。５は基準面で、６は測定対象物であ
る。７は移相器で１例えばポッケルス効果を有する電気
光学結晶である。この電気光学結晶に電圧を印加するこ
とにより１紙面に垂直な振動面を持つ光に対する屈折率
と平行な振動面を持つ光に対する屈折率を変化させ２つ
の光の位相差を制御する。８は偏光板で紙面と４５度の
角をなす振動成分のみを透過させる。９は光検出器、１
０はサンプリング回路である。このサンプリング回路１
０は、微分回＋ＪＩＳｌｌ、コンパレータ１２．単安定
マルチバイブレータ１３．ゲート回路１４゜ＡＮＤ回路
１５、サンプルホールド回路１６から成る。ここで単安
定マルチバイブレータ１３はコンパレータ１２の立ち下
がりでトリガされる。
１７はＡＣ増幅器、１８は発振器、２ｉはカウンタ回路
である。このカウンタ回路２１は、コンパレータ２２，
２３．単安定マルチバイブレータ２４．２５，２６，２
７、ＡＮＤ回路２Ｂ、２９゜アップダウンカウンタ３０
から成る。ここで、単安定マルチバイブレータ２４．２
５はそれぞれコンパレータ２２，２３の立ち上がりでト
リガされ。
である。このカウンタ回路２１は、コンパレータ２２，
２３．単安定マルチバイブレータ２４．２５，２６，２
７、ＡＮＤ回路２Ｂ、２９゜アップダウンカウンタ３０
から成る。ここで、単安定マルチバイブレータ２４．２
５はそれぞれコンパレータ２２，２３の立ち上がりでト
リガされ。
その出力はＡ Ｎ Ｄ回路２８の入力となる。また。
単安定マルチバイ／レータ２６，２’７はそれぞれコン
パレータ２２，２３の立ち下がりでトリガされ、その出
力はＡＮＤ回路２９の入力となる。
パレータ２２，２３の立ち下がりでトリガされ、その出
力はＡＮＤ回路２９の入力となる。
ＡＮＤ回路２８の出力はアップダウンカウンタ３０のＵ
Ｐ＠子に、ＡＮＤ回路２９の出力はアップダウンカウン
タ３０のＤ ＯＷ Ｎ 端子に接続さ１する。
Ｐ＠子に、ＡＮＤ回路２９の出力はアップダウンカウン
タ３０のＤ ＯＷ Ｎ 端子に接続さ１する。
第２図〜第１０図は、カウンタ回路２１の動作を説明す
る図で、測定対象物６が一定速度で変位する場合を例に
とっている。測定対称物６が正方向に変位する場合の動
作を（ａ）に、負方向に変位する場合の動作を（Ｎに示
す、コンパレータ２２のレファレンスた圧Ｖ、を０〜Ｖ
７Ｃの間に１９定し、コンパレータ２３のレファレンス
電圧Ｖ。
る図で、測定対象物６が一定速度で変位する場合を例に
とっている。測定対称物６が正方向に変位する場合の動
作を（ａ）に、負方向に変位する場合の動作を（Ｎに示
す、コンパレータ２２のレファレンスた圧Ｖ、を０〜Ｖ
７Ｃの間に１９定し、コンパレータ２３のレファレンス
電圧Ｖ。
を−Ｖ ｙｃ −０の間に設定し、ｔ￥安定マルチバイ
ブレータ２４，２５，２６．２７のパルスＩＩ］をト分
に小さくとっておく（第３ Ｌｆｆｉ〜第８図参照）、
この条件Ｆで、測定対称物６が正方向に変位する場合に
は、サンプルホールド回路１６の出力（第２図参照）が
、−ＶπからＶπに不連続的に変化するときに １７５
．安定マルチバイブレータ２４．２５で発生したパルス
（第４図、ｆｉＳ７図参照）が時間的に重なるので、Ａ
Ｎ Ｄ回路２８にはアップパルスが出力される（第９
図参照）、測定対称物６が負方向に変位する場合には、
ナンブルボールド回路１６の出力（第２図参照）がＶπ
から−ｖ７ｃに不連続的に変化するときに単安定マルチ
バイブレータ２６．２７で発生したパルス（第８図ｔｇ
Ｓｓ図参照）がＩＲなり、ＡＮＤ回路２９にダウンパル
スが出力される（第１０図参照）。
ブレータ２４，２５，２６．２７のパルスＩＩ］をト分
に小さくとっておく（第３ Ｌｆｆｉ〜第８図参照）、
この条件Ｆで、測定対称物６が正方向に変位する場合に
は、サンプルホールド回路１６の出力（第２図参照）が
、−ＶπからＶπに不連続的に変化するときに １７５
．安定マルチバイブレータ２４．２５で発生したパルス
（第４図、ｆｉＳ７図参照）が時間的に重なるので、Ａ
Ｎ Ｄ回路２８にはアップパルスが出力される（第９
図参照）、測定対称物６が負方向に変位する場合には、
ナンブルボールド回路１６の出力（第２図参照）がＶπ
から−ｖ７ｃに不連続的に変化するときに単安定マルチ
バイブレータ２６．２７で発生したパルス（第８図ｔｇ
Ｓｓ図参照）がＩＲなり、ＡＮＤ回路２９にダウンパル
スが出力される（第１０図参照）。
上の説明は変位速度が一定の場合についてであるが、変
位速度が変化する場合にも同様のことがいえる。
位速度が変化する場合にも同様のことがいえる。
次に本発明の一実施例の動作を説明する。光源１を発し
たｔＸ線偏光のうち紙面と垂直な振動面を持つ成分をＢ
８．平行な振動面を持つ成分を８２とすると、Ｂ、はＰ
、Ｂ、Ｓ、２ で反射され、−波長板３を透過し、測定
対象物６で反射し、再び一波長板３を経てＰ、Ｂ、３．
２ に至るが、このときの振動面は一波長板３を往復
しているので９０度回転し紙面と平行になっており、こ
こを透過する。
たｔＸ線偏光のうち紙面と垂直な振動面を持つ成分をＢ
８．平行な振動面を持つ成分を８２とすると、Ｂ、はＰ
、Ｂ、Ｓ、２ で反射され、−波長板３を透過し、測定
対象物６で反射し、再び一波長板３を経てＰ、Ｂ、３．
２ に至るが、このときの振動面は一波長板３を往復
しているので９０度回転し紙面と平行になっており、こ
こを透過する。
一方、Ｂ、はＰ、Ｂ、Ｓ、２ を透過し、−波長板４
→基準面５→−波長板４の経路を経てＰ、Ｂ、Ｓ’ 。
→基準面５→−波長板４の経路を経てＰ、Ｂ、Ｓ’ 。
２に入射するが振動面が９０度回転し１紙面と垂直にな
っているので、ここで反射する。 Ｐ、Ｂ、５．２を出
たＢ、 、 Ｂ、は移相器７を経て偏光板８に至る。こ
こで８１．Ｂ、の紙面と４５°の振動面を持つ成分のみ
が偏光板８を通過し、干渉を起し。
っているので、ここで反射する。 Ｐ、Ｂ、５．２を出
たＢ、 、 Ｂ、は移相器７を経て偏光板８に至る。こ
こで８１．Ｂ、の紙面と４５°の振動面を持つ成分のみ
が偏光板８を通過し、干渉を起し。
Ｂ１とＢ２の位相差に応じて光の強度が変化する。
これを光検出器９で電気信号に変換し、この電気信号を
サンプリング回路１０に入力する。一方。
サンプリング回路１０に入力する。一方。
発振器１８の出力電圧をＡＣ増幅器１７で増幅し。
移相器７に印加し、Ｂ、と８２の位相差を強制的に次の
（１）式のφｆだけ変動させる。
（１）式のφｆだけ変動させる。
φｆ ＝ Ａｓｉｎｗ ｔ ・＝
（１）ここで撮幅Ａは、によりも少し太き目に設定する
。また、被測定物６とＰ、Ｂ、５．２ の中心までの光
路長ａと基準面５とＰ、Ｂ、Ｓ、２ の中心までの光路
長Ｑｌ、の差に基づく位相差φは（２）式で与えられる
。
（１）ここで撮幅Ａは、によりも少し太き目に設定する
。また、被測定物６とＰ、Ｂ、５．２ の中心までの光
路長ａと基準面５とＰ、Ｂ、Ｓ、２ の中心までの光路
長Ｑｌ、の差に基づく位相差φは（２）式で与えられる
。
４π
−φ＝−ＣＱ−Ｌ） ・・・ （２）λ
したがって、Ｂ、とＢ、の位相差φ１は（３）式のよう
になる。
になる。
φ、＝φ＋φｆ
４π
＝ −（Ｑ −Ｑ ａ） ＋ Ａｓｉｎｗ ｔ −
（Ｆ）λ 偏光板８を通過したときのＢ！、 Ｂ、の強度をＩ、
、 Ｉ□とすると、干渉光の強度Ｉは（４）式％式％ この干渉光強度を光検出器９で電気信号に変換し、微分
回路１１．コンパレータ、１２を通して、単安定マルチ
バイブレータ１３で、（４）式で示される干渉信号が最
大になる時刻にパルスを発生させる。このときのＢ、ど
Ｂ、の位相差φ、は（５）式で与えられる。
（Ｆ）λ 偏光板８を通過したときのＢ！、 Ｂ、の強度をＩ、
、 Ｉ□とすると、干渉光の強度Ｉは（４）式％式％ この干渉光強度を光検出器９で電気信号に変換し、微分
回路１１．コンパレータ、１２を通して、単安定マルチ
バイブレータ１３で、（４）式で示される干渉信号が最
大になる時刻にパルスを発生させる。このときのＢ、ど
Ｂ、の位相差φ、は（５）式で与えられる。
φ、＝２ｎπ （ｎ＝ｏ、±１．±２．・・）・・・（
５） （１）式で示したφｆは、 −Ａ≦φｆ≦Ａの範囲で変
動させているが、−π≦φｆ≦πの間にあるときに発生
したパルスのみをゲート回路１４及びＡＮＤ回路１５で
選び出し、その時刻しての移相器７の入力電圧をサンプ
ルホールド回路１６でサンプルし、そのときの移相量φ
ｆを求める。
５） （１）式で示したφｆは、 −Ａ≦φｆ≦Ａの範囲で変
動させているが、−π≦φｆ≦πの間にあるときに発生
したパルスのみをゲート回路１４及びＡＮＤ回路１５で
選び出し、その時刻しての移相器７の入力電圧をサンプ
ルホールド回路１６でサンプルし、そのときの移相量φ
ｆを求める。
このようにすると、（２）式で表される測定対象物６の
変位に対応して発生する位相差φが（２ｍ＋１）π（ｍ
： ！ｉ数）となる時以外はφｆが次に示す（６）式
を満す値をとるときに発生したパルスが有効となる。
変位に対応して発生する位相差φが（２ｍ＋１）π（ｍ
： ！ｉ数）となる時以外はφｆが次に示す（６）式
を満す値をとるときに発生したパルスが有効となる。
φ′＋φｆ＝ｏ ・・・・・・ （６）
ここでφ′は（７）式によって定義される。
ここでφ′は（７）式によって定義される。
ただし１ｍは整数
また、φが（２ｍ＋１）πとなるときは、（８）式を満
す時刻に発生したパルスが有効となる。
す時刻に発生したパルスが有効となる。
φｆ工±π ・・・・・・ （８）し
たがって１位相差φを横軸に、有効パルス発生時の移相
量φｆ及び移相器７への印加電圧ｖ１を縦軸にとると、
第１１図のようになる。
たがって１位相差φを横軸に、有効パルス発生時の移相
量φｆ及び移相器７への印加電圧ｖ１を縦軸にとると、
第１１図のようになる。
測定対象６が最初原点位置にあるとき、の反射光Ｂｔ
＝ Ｂｓの位相差をφ、、φ。から２πの整数倍をさし
引いた余りをφ。′ とする、測定対象物６が原点位置
にあるときのサンプルホールド回路π てＶ、。を移相量に換算すると一φ、′ となる、原点
位置から測定対象物６が正方向に変位して位相差φがφ
。からφ１まで増加したとする。φが増加するとＶ、は
減少するが、φが（２ｎ −１）πを越えると、その時
ｖ１は不連続的に−Ｖπからｖ、ｃに変化する。ここで
、ＶπはＢ１ とＢ、に位相差πを発生させるのに必要
な電圧である。さらに変位するとｖｌは徐々に減少し、
φが（２ｎ＋１）πを越えると再度−ＶπからＶπに変
化する。
＝ Ｂｓの位相差をφ、、φ。から２πの整数倍をさし
引いた余りをφ。′ とする、測定対象物６が原点位置
にあるときのサンプルホールド回路π てＶ、。を移相量に換算すると一φ、′ となる、原点
位置から測定対象物６が正方向に変位して位相差φがφ
。からφ１まで増加したとする。φが増加するとＶ、は
減少するが、φが（２ｎ −１）πを越えると、その時
ｖ１は不連続的に−Ｖπからｖ、ｃに変化する。ここで
、ＶπはＢ１ とＢ、に位相差πを発生させるのに必要
な電圧である。さらに変位するとｖｌは徐々に減少し、
φが（２ｎ＋１）πを越えると再度−ＶπからＶπに変
化する。
φがφ１まで増加したときのサンプルホールド回寓
じてｖｌを移相量に換算すると、−φ、′ となる。
ここでφ１′ はφ、から２πの整数倍をさし引いた余
りである。従ってこのときの変位量は次のようにして求
めることができる。
りである。従ってこのときの変位量は次のようにして求
めることができる。
前記サンプルホールド回路１６の出力電圧の−Ｖにから
Ｖπへの不連続的変化をカウンタ回路λ ２１で十にカウントする。このカウント結果を一λ 倍し、これに□ｘ （−ｖｓ１＋ ｖａｎ ） ＝４ｖ
π λ □（φ１′−φ。′）を加え合わせる。
Ｖπへの不連続的変化をカウンタ回路λ ２１で十にカウントする。このカウント結果を一λ 倍し、これに□ｘ （−ｖｓ１＋ ｖａｎ ） ＝４ｖ
π λ □（φ１′−φ。′）を加え合わせる。
ｙｃ
負方向に変位する場合は位相差φが減少する過程におい
てπの奇数倍（２ｎ＋１）ｇ、（２ｎ＋３）に、・・・
・・・等を越えるときサンプルボールド回路１６の出力
電圧がＶπから−Ｖπへ不連続的に変化するので、これ
をカウンタ回路２１でマイナスにカウントすれば、他は
正方向の変位を求める場合と同様にして変位を求めるこ
とができる。
てπの奇数倍（２ｎ＋１）ｇ、（２ｎ＋３）に、・・・
・・・等を越えるときサンプルボールド回路１６の出力
電圧がＶπから−Ｖπへ不連続的に変化するので、これ
をカウンタ回路２１でマイナスにカウントすれば、他は
正方向の変位を求める場合と同様にして変位を求めるこ
とができる。
第１２図に上述の計算処理を行うための出力回路の一例
を示す、３１はサンプルホールド回路１６の出力電圧を
位相差の端数φ′を表わすデジタル派に変換するＡ／Ｄ
変換器、３２は測定対象物６が原点位置にあるときの位
相差の端数φ。′を記憶する原点記憶回路、３３は最終
位置での位相差φ１′ から前記原点記憶回路の内容を
減算する減算回路、３４は前記減算回路３３の内容をて
加算する加算器である。Ａ端子にリセット信号を加える
と、カウンタ３０の内容がクリアされると共に、原点位
置での位相差の端数φ。′ が原点記憶回路３２に記憶
される。
を示す、３１はサンプルホールド回路１６の出力電圧を
位相差の端数φ′を表わすデジタル派に変換するＡ／Ｄ
変換器、３２は測定対象物６が原点位置にあるときの位
相差の端数φ。′を記憶する原点記憶回路、３３は最終
位置での位相差φ１′ から前記原点記憶回路の内容を
減算する減算回路、３４は前記減算回路３３の内容をて
加算する加算器である。Ａ端子にリセット信号を加える
と、カウンタ３０の内容がクリアされると共に、原点位
置での位相差の端数φ。′ が原点記憶回路３２に記憶
される。
第１３図に第１図に示すゲート回路１４の一例を示す、
３７．３８はコンパレータで、コンパレータ３７のレフ
ァレンス電圧はＶπに、３８のレファレンス電圧は−Ｖ
πに設定されており、前記コンパレータ３７．３８の出
力はＯＲ回路３９に入力される。この回路によれば入力
電圧がＶπ〜−Ｖπの範囲にあるときだけ出力がＨＩ
Ｇ Ｈとなり、これと、単安定マルチバイブレータ１３
とのアンドをＡＮＤ回路１５でとると、このとき発生し
たパルスのみを選択することができる。
３７．３８はコンパレータで、コンパレータ３７のレフ
ァレンス電圧はＶπに、３８のレファレンス電圧は−Ｖ
πに設定されており、前記コンパレータ３７．３８の出
力はＯＲ回路３９に入力される。この回路によれば入力
電圧がＶπ〜−Ｖπの範囲にあるときだけ出力がＨＩ
Ｇ Ｈとなり、これと、単安定マルチバイブレータ１３
とのアンドをＡＮＤ回路１５でとると、このとき発生し
たパルスのみを選択することができる。
第１４図は本発明の他の実施例を示す構成図である、第
１４図において、第１図と同一番号を付けたものは同一
部分を示す、４０はビームスプリッタ、４１．４２は偏
光板で偏光板４１の透過軸は紙面と４５’の角をなし、
偏光板４２は−４５゜の角をなす、４３．４４は光検出
器、４５は差動増幅器である。１３′は単安定マルチバ
イブレータでコンパレータ１２の立ち上がり、立ち下が
りの両方でトリガされる。１４′はゲート回路で移７で
−の位相差を発生させるのに必要な電圧である。
１４図において、第１図と同一番号を付けたものは同一
部分を示す、４０はビームスプリッタ、４１．４２は偏
光板で偏光板４１の透過軸は紙面と４５’の角をなし、
偏光板４２は−４５゜の角をなす、４３．４４は光検出
器、４５は差動増幅器である。１３′は単安定マルチバ
イブレータでコンパレータ１２の立ち上がり、立ち下が
りの両方でトリガされる。１４′はゲート回路で移７で
−の位相差を発生させるのに必要な電圧である。
つぎに動作を説明する。第１図の実施例と同じ経路な経
て測定対象物６で反射した光Ｂｌ（紙面と平行な振動面
を持っている）と基準面５で反射した光Ｂｊ （紙面
と垂直な振動面をもっている）は、ビームスプリッタ４
０に至り、ここで反射光と透過光に分れる０反射光をＢ
＠’ ｌ Ｂｇ’ ＋透過光を８１’ 、 Ｂ、’と
する１反射光Ｂｌ’ｌＢ、′は偏光板４１を透過して干
渉を起こす、この光の強度をＩ、とする、また透過光Ｂ
％＋Ｂｌ′は偏光板４２を透過して干渉を起こす。
て測定対象物６で反射した光Ｂｌ（紙面と平行な振動面
を持っている）と基準面５で反射した光Ｂｊ （紙面
と垂直な振動面をもっている）は、ビームスプリッタ４
０に至り、ここで反射光と透過光に分れる０反射光をＢ
＠’ ｌ Ｂｇ’ ＋透過光を８１’ 、 Ｂ、’と
する１反射光Ｂｌ’ｌＢ、′は偏光板４１を透過して干
渉を起こす、この光の強度をＩ、とする、また透過光Ｂ
％＋Ｂｌ′は偏光板４２を透過して干渉を起こす。
この光強度を工、とする。ここで偏光板４１゜４２の透
過軸の方向が異なっているので、Ｉ、とＩｔの平均値は
等しいが反射光の位相差に対する強度変化の位相は１８
０＠ずれている。第１５図及び第１６図は、この様子を
示すもので、それぞれ横軸に位相差φを、縦軸に光の強
度■１及び工、をとっている。したがって、この干渉光
強度を光検出器で電気信号に変換し、差動増幅器４５で
差をとると、その出力ｅ、は第１７図のように変化する
。したがって、前述の（３）式のφ、が（９）式を満た
すとき、差動増幅器４５の出力が零になる。
過軸の方向が異なっているので、Ｉ、とＩｔの平均値は
等しいが反射光の位相差に対する強度変化の位相は１８
０＠ずれている。第１５図及び第１６図は、この様子を
示すもので、それぞれ横軸に位相差φを、縦軸に光の強
度■１及び工、をとっている。したがって、この干渉光
強度を光検出器で電気信号に変換し、差動増幅器４５で
差をとると、その出力ｅ、は第１７図のように変化する
。したがって、前述の（３）式のφ、が（９）式を満た
すとき、差動増幅器４５の出力が零になる。
φ、＝φ＋φｆ
π
＝ ｎ ｙｃ ＋−・・・・・・ （９）ここで、ｎは
整数である。
整数である。
すなわち、（３）式と（９）式から１次の（１０）式が
成り立つ。
成り立つ。
ここで、移相器７で変動させる位相φｆの振幅Ａを一以
上に設定する。このときφｆは−Ａ≦φｆ≦Ａの範囲で
変動しており、（９）式が満足されるときに差動増幅器
４５の出力が零をよぎるのでコンパレータ１２の出力が
ＨＩＧＨからＬｏｌｌ。
上に設定する。このときφｆは−Ａ≦φｆ≦Ａの範囲で
変動しており、（９）式が満足されるときに差動増幅器
４５の出力が零をよぎるのでコンパレータ１２の出力が
ＨＩＧＨからＬｏｌｌ。
またはＬＯＷからＨＩ Ｇ Ｈに変化して単安定マルチ
バイブレータ１３′がトリガされパルスが発生あるとき
に発生したパルスのみをゲート回路１４′とＡＮＤ回路
１５で選択し、その時刻での移相器７への印加電圧をサ
ンプルホールド回路１６でサンプルし、そのときの移相
量φ１を求める。このとき１反射光Ｂ１．Ｂ、の位相差
φとサンプルホールド回路１６の出力電圧の関係、すな
わち、移相器７への印加電圧ｖ１との関係は、第１８図
に示したようになる。したがって、変位量は次のように
して求めることができる。
バイブレータ１３′がトリガされパルスが発生あるとき
に発生したパルスのみをゲート回路１４′とＡＮＤ回路
１５で選択し、その時刻での移相器７への印加電圧をサ
ンプルホールド回路１６でサンプルし、そのときの移相
量φ１を求める。このとき１反射光Ｂ１．Ｂ、の位相差
φとサンプルホールド回路１６の出力電圧の関係、すな
わち、移相器７への印加電圧ｖ１との関係は、第１８図
に示したようになる。したがって、変位量は次のように
して求めることができる。
測定対象物６が一変位するごとに、発生する前記サンプ
ルホールド回路１６の出力電圧の不連続的変化鷺カウン
タ回路２１でカウントし、カラン” ８Ｖ− を加える。ここで＊ Ｖａ＠ｊ Ｖｊｌはそれぞれ測定
対象物６が原点位１１′１および最終位置にあるときの
サンプルホールド回路１６の出力電圧である。
ルホールド回路１６の出力電圧の不連続的変化鷺カウン
タ回路２１でカウントし、カラン” ８Ｖ− を加える。ここで＊ Ｖａ＠ｊ Ｖｊｌはそれぞれ測定
対象物６が原点位１１′１および最終位置にあるときの
サンプルホールド回路１６の出力電圧である。
第１９図は本発明の更に他の実施例を示すものであり１
反射光の位相を電わい素子を使って変動させるようにし
たものである。第１９図において、第１図と同一番号を
付けたものは同一部分を表す。
反射光の位相を電わい素子を使って変動させるようにし
たものである。第１９図において、第１図と同一番号を
付けたものは同一部分を表す。
４６はビームスプリッタ、４７はミラーでミラー４７の
表面が基準面となる。前記ミラー４７は、屯わい４Ｆ−
４８にとり付ける。
表面が基準面となる。前記ミラー４７は、屯わい４Ｆ−
４８にとり付ける。
レーザ発振Ｄｉから出た光は、ビームスプリッタ４６に
至り１反射光Ｂ、と透過光Ｂ２に分れる。
至り１反射光Ｂ、と透過光Ｂ２に分れる。
反射光Ｂ１はｌ！１弓定対象物６で反射し、ビームスプ
リッタ４６を経て光検出器１に至る。透過光Ｂ□はミラ
ー４７の表面で反射してビームスプリッタ４６に至り、
ここで反射して反射光Ｂ１と干渉を起こす、この干渉光
の強度変化を光検出器９で電気信号に変換する。一方、
電わい索子４８にはＡＣ増幅器１７の出力電圧を印加し
、常に一定振幅で開動さヒろ、このようにして、電わい
素子４８に付けたミラー４７を光軸と垂直方向に振動さ
せることにより、Ｂ１とＢ、の位相を変動させる移相器
を構成することができる。他の部分の動作は実施例１と
同様である。
リッタ４６を経て光検出器１に至る。透過光Ｂ□はミラ
ー４７の表面で反射してビームスプリッタ４６に至り、
ここで反射して反射光Ｂ１と干渉を起こす、この干渉光
の強度変化を光検出器９で電気信号に変換する。一方、
電わい索子４８にはＡＣ増幅器１７の出力電圧を印加し
、常に一定振幅で開動さヒろ、このようにして、電わい
素子４８に付けたミラー４７を光軸と垂直方向に振動さ
せることにより、Ｂ１とＢ、の位相を変動させる移相器
を構成することができる。他の部分の動作は実施例１と
同様である。
第２０図も本発明の更に他の実施例を示したもので、１
個の電気光学結晶式移相器を用いて、複数方向の変位を
測定する方法である。第２０図では、Ｘ、Ｙ２方向の変
位を測定する場合を例に説明している。第２０図におい
て、第１図と同一番号を付けたものは同一部分を表わす
、また、ダッシュを付けた番号はダッシュを付けな一番
号と同一部分を表わす。
個の電気光学結晶式移相器を用いて、複数方向の変位を
測定する方法である。第２０図では、Ｘ、Ｙ２方向の変
位を測定する場合を例に説明している。第２０図におい
て、第１図と同一番号を付けたものは同一部分を表わす
、また、ダッシュを付けた番号はダッシュを付けな一番
号と同一部分を表わす。
コヒーレントな直線偏光を発する光１ＩＩＸ１からは、
紙面に対して４５°の方向に偏光面を持つ［ｉＩ線偏光
を発し、ｆｆｉ気光学結晶７に入射する。電気光学結晶
７にはあらかじめ強制的かつ周期的に電圧を印加して１
紙面に対して垂直、水平方向に偏光面を持つそれぞれの
光に対して位相変化を与えておく、＠低光学結晶を出た
光はビームスプリッタ１０１で透過光と反射光に２分割
し、透過光を使って、被測定物６のＸ方向の変位を測定
する。また、反射光は、ミラー１０２，１０３を使って
Ｙ方向に直進する光に変換し、被測定物６′のＹ方向の
変位を測定する。測定の方法は第１図に示した方法と同
じである。
紙面に対して４５°の方向に偏光面を持つ［ｉＩ線偏光
を発し、ｆｆｉ気光学結晶７に入射する。電気光学結晶
７にはあらかじめ強制的かつ周期的に電圧を印加して１
紙面に対して垂直、水平方向に偏光面を持つそれぞれの
光に対して位相変化を与えておく、＠低光学結晶を出た
光はビームスプリッタ１０１で透過光と反射光に２分割
し、透過光を使って、被測定物６のＸ方向の変位を測定
する。また、反射光は、ミラー１０２，１０３を使って
Ｙ方向に直進する光に変換し、被測定物６′のＹ方向の
変位を測定する。測定の方法は第１図に示した方法と同
じである。
本測定法によれば、１個の移相器で複数方向の変位を測
定することができる。また、光源］にレーザ発振器を用
いれば、レーザ光は指向性にすぐれているためビームの
拡がりは比較的小さいが。
定することができる。また、光源］にレーザ発振器を用
いれば、レーザ光は指向性にすぐれているためビームの
拡がりは比較的小さいが。
それでも第１図に示す方法において光源１から電気光学
結晶７までの距離が大きくなった場合には、電気光学結
晶に達した光の直径は大きくなり、電気光学結晶の入射
面も広くする必要があり、結果的に印加電圧に対する位
相の変化量が小さくなる欠点があり、この問題も解決で
きる。
結晶７までの距離が大きくなった場合には、電気光学結
晶に達した光の直径は大きくなり、電気光学結晶の入射
面も広くする必要があり、結果的に印加電圧に対する位
相の変化量が小さくなる欠点があり、この問題も解決で
きる。
本発明によれば、使用する光源の波長に関係なく広範囲
の変位を測定することができる。
の変位を測定することができる。
第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図〜第１０図
は第１図におけるカウンタ回路の動作の一例を説明する
図で、第２図はサンプルホールド回路の出力波形図、第
３図はコンパレータ２２の出力波形図、第４図は単安定
マルチバイブレータ２４の出力波形図、第５図は単安定
マルチバイブレータ２７の出力波形図、第６図はコンパ
レータ２３の出力波形図、第７図は単安定マルチバイブ
レータ２５の出力波形図、第８図は単安定マルチバイブ
レータ２６の出力波形図、第９図はＡＮＤ回路２８の出
力波形図、第１Ｏ図はＡＮＤ回路２９の出力波形図、第
１１図は第１図に示す実施例における位相差と位相量、
移相器への印加電圧の関係を示す図、第１２図は第１図
におけるアップダウンカウンタに接続する出力回路の一
例を示す図、第１３図は第１図におけるゲート回路の一
例を示す図、第１４図は本発明の他の実施例の構成図、
第１５図〜第１７図は第１４図における位相差と干渉光
強度及び差動増幅器の出力の関係を示す図、第１８図は
第１４図における位相差と位相量、移相器への印加電圧
の関係を示す図、第１９図及び第２０図は本発明の更に
他の実施例の構成図である。 １・・・光源、２・・・偏光ビームスプリッタ、５・・
・基僧面、６・・・測定対象物、７・・・移相器、９・
・・光検出器。 １０・・・サンプリング回路、１３．１３’・・・単安
定マルチバイブレータ、１４．１４’・・・ゲート回路
。 １５・・・アンド回路、１６・・・サンプルホールド回
路。 ＼ ７パ
は第１図におけるカウンタ回路の動作の一例を説明する
図で、第２図はサンプルホールド回路の出力波形図、第
３図はコンパレータ２２の出力波形図、第４図は単安定
マルチバイブレータ２４の出力波形図、第５図は単安定
マルチバイブレータ２７の出力波形図、第６図はコンパ
レータ２３の出力波形図、第７図は単安定マルチバイブ
レータ２５の出力波形図、第８図は単安定マルチバイブ
レータ２６の出力波形図、第９図はＡＮＤ回路２８の出
力波形図、第１Ｏ図はＡＮＤ回路２９の出力波形図、第
１１図は第１図に示す実施例における位相差と位相量、
移相器への印加電圧の関係を示す図、第１２図は第１図
におけるアップダウンカウンタに接続する出力回路の一
例を示す図、第１３図は第１図におけるゲート回路の一
例を示す図、第１４図は本発明の他の実施例の構成図、
第１５図〜第１７図は第１４図における位相差と干渉光
強度及び差動増幅器の出力の関係を示す図、第１８図は
第１４図における位相差と位相量、移相器への印加電圧
の関係を示す図、第１９図及び第２０図は本発明の更に
他の実施例の構成図である。 １・・・光源、２・・・偏光ビームスプリッタ、５・・
・基僧面、６・・・測定対象物、７・・・移相器、９・
・・光検出器。 １０・・・サンプリング回路、１３．１３’・・・単安
定マルチバイブレータ、１４．１４’・・・ゲート回路
。 １５・・・アンド回路、１６・・・サンプルホールド回
路。 ＼ ７パ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、基準面と測定対象物に光源からの光ビームを照射し
、これら基準面と測定対象物からの反射光の干渉を利用
して測定対象物の変位を測定する装置において、前記各
々の反射光の位相差を少なくともπｒａｄ以上の振幅（
全振幅）で周期的かつ強制的に変化させる移相器と、測
定対象物の変位による反射光の位相の変化が前記移相器
によつて補償される瞬間に前記移相器に加えた駆動信号
の大きさをサンプリングしそのときの移相量を検出する
サンプリング回路と、反射光の位相差が一定値を越える
ごとに生じる前記移相量の不連続的変化をカウントする
カウンタ回路を設け、前記カウント回路のカウント結果
と、前記サンプリング回路の出力から測定対象物の変位
を求めることを特徴とする変位の光学的測定装置。 ２、移相器は電圧を印加するとその屈折率が変化する電
気光学結晶であることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の変位の光学的測定装置。 ３、移相器は電気光学結晶でありかつ光源の直後に配置
し、基準面と測定対象物に照射する光の位相差を周期的
かつ強制的に変化させることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の変位の光学的測定装置。 ４、移相器は電圧を印加するとその印加電圧に比例した
変位を発生する電歪素子であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の変位の光学的測定装置。 ５、カウンタ回路は前記サンプリング回路の出力電圧の
範囲内にレフアレンス電圧を持つ複数個のコンパレータ
と前記コンパレータの立ち上がり、または立ち下がりで
トリガされる複数個の単安定マルチバイブレータと、前
記単安定マルチバイブレータの出力のアンドをとるアン
ド回路と、前記アンド回路の出力パルスをカウントする
カウンタ回路からなることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の変位の光学的測定装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60060580A JPS61219802A (ja) | 1985-03-27 | 1985-03-27 | 変位の光学的測定装置 |
| EP86104293A EP0199137B1 (en) | 1985-03-27 | 1986-03-27 | Method of and apparatus for optically measuring displacement |
| US06/844,682 US4708481A (en) | 1985-03-27 | 1986-03-27 | Method of and apparatus for optically measuring displacement |
| DE8686104293T DE3663854D1 (en) | 1985-03-27 | 1986-03-27 | Method of and apparatus for optically measuring displacement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60060580A JPS61219802A (ja) | 1985-03-27 | 1985-03-27 | 変位の光学的測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61219802A true JPS61219802A (ja) | 1986-09-30 |
| JPH0375041B2 JPH0375041B2 (ja) | 1991-11-28 |
Family
ID=13146323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60060580A Granted JPS61219802A (ja) | 1985-03-27 | 1985-03-27 | 変位の光学的測定装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4708481A (ja) |
| EP (1) | EP0199137B1 (ja) |
| JP (1) | JPS61219802A (ja) |
| DE (1) | DE3663854D1 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4988630A (en) * | 1987-04-27 | 1991-01-29 | Hoffmann-La Roche Inc. | Multiple beam laser instrument for measuring agglutination reactions |
| JPH0378609A (ja) * | 1989-08-23 | 1991-04-03 | Brother Ind Ltd | 光スキッド式表面粗さ計測装置 |
| DE3929152A1 (de) * | 1989-09-02 | 1991-03-14 | Roch Pierre Ets | Elektronische auswerteschaltung fuer ein laser-interferometer |
| JP3217522B2 (ja) * | 1992-03-02 | 2001-10-09 | キヤノン株式会社 | 精密位置決め装置 |
| US5585913A (en) * | 1994-04-01 | 1996-12-17 | Imra America Inc. | Ultrashort pulsewidth laser ranging system employing a time gate producing an autocorrelation and method therefore |
| US5778016A (en) | 1994-04-01 | 1998-07-07 | Imra America, Inc. | Scanning temporal ultrafast delay methods and apparatuses therefor |
| US5489984A (en) * | 1994-04-01 | 1996-02-06 | Imra America, Inc. | Differential ranging measurement system and method utilizing ultrashort pulses |
| US5530542A (en) * | 1995-04-19 | 1996-06-25 | Hewlett-Packard Company | Circuit and method for controlling glitches in low intensity signals |
| DE10042140A1 (de) * | 2000-08-28 | 2002-03-14 | Leica Microsystems | Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung für mehrere Spektralbereiche und Koordinatenmessmaschine mit einer Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung für mehrere Spektralbereiche |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5575603A (en) * | 1978-11-30 | 1980-06-07 | Ibm | Method of measuring interference |
| JPS58158506A (ja) * | 1982-03-17 | 1983-09-20 | Hitachi Ltd | 変位の光学的測定方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL7001770A (ja) * | 1970-02-07 | 1971-08-10 | ||
| US3661464A (en) * | 1970-03-16 | 1972-05-09 | Jorway Corp | Optical interferometer |
| US3847485A (en) * | 1972-05-25 | 1974-11-12 | Zygo Corp | Optical noncontacting surface sensor for measuring distance and angle of a test surface |
| GB1472894A (en) * | 1974-03-15 | 1977-05-11 | Nat Res Dev | Interferometric methods and apparatus for measuring distance to a surface |
| US4225240A (en) * | 1978-06-05 | 1980-09-30 | Balasubramanian N | Method and system for determining interferometric optical path length difference |
| JPS567006A (en) * | 1979-06-22 | 1981-01-24 | Ibm | Method of extending measurement range of interference |
| JPS5975108A (ja) * | 1982-10-22 | 1984-04-27 | Hitachi Ltd | 微小隙間の光学的測定方法及び測定装置 |
-
1985
- 1985-03-27 JP JP60060580A patent/JPS61219802A/ja active Granted
-
1986
- 1986-03-27 EP EP86104293A patent/EP0199137B1/en not_active Expired
- 1986-03-27 US US06/844,682 patent/US4708481A/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-03-27 DE DE8686104293T patent/DE3663854D1/de not_active Expired
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5575603A (en) * | 1978-11-30 | 1980-06-07 | Ibm | Method of measuring interference |
| JPS58158506A (ja) * | 1982-03-17 | 1983-09-20 | Hitachi Ltd | 変位の光学的測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4708481A (en) | 1987-11-24 |
| EP0199137A1 (en) | 1986-10-29 |
| DE3663854D1 (en) | 1989-07-13 |
| EP0199137B1 (en) | 1989-06-07 |
| JPH0375041B2 (ja) | 1991-11-28 |
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