JPS62254001A - 高精度測長機 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を利用して、テーブル移動距離を正
確に測定でさる尚精度測長機に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、副長器として用いられていたマイケルンン干渉計
を第１０図に示す。光源１から出た光はコリメータレン
ズ２を逃シビームスプリッタ６で分割され、−万はε照
ミラー８へ向い、他方は測定物体上に載せられた反射ミ
ラー９に向い、それぞれのミラーで反射された光は書び
ヒームスプリッタ３で合成され干渉光になる。上記干渉
光をレンズ１７′でホトマル２３に集光し光強度Ｉの変
化を測定すると、上記反射ミラー９が一足速駄で移動し
ている場合には、例えは第１１図に示すような正弦波出
力が得られ、干渉光の明暗に伴って出カニが増減するの
で、適当なスレッショールド・レヘル（Ｌ　＊　Ｉ２　
＋　ｂ等）を設けて時間ｔに伴う干渉光の明暗の変化を
カウントすると、上記反射ミラー９の移動距離を測定す
ることができる。

しかしながら％第１０図において８照ミラー８が光軸に
対して垂直に正しく置かれていても、反射ミラー９は測
定物体上に置かれているために。

上記測定物体が移動中に傾きを生じると１例えば第１２
図に示すようになり、元ビームの上半分と下半分とでλ
／４（ただしλはＶ長）の傾きが生じた場合の干渉光は
、第１５図のように下半分が暗く下半分が明るい干渉縞
となり、ホトマル２６へ入射する全を輩■は一定レベル
となり明晰の振幅を生じなくなるため、明晰の変化がカ
シントできなくなυ、移動距離測定に赳りを生じること
になる０具体的に示すと、第１２図において上半分の光
と下半分の光の振動をそれぞれａ　ｓｉｎ　（２πｆｔ
−φ、　）　、　ａ　ｓｉｎ　（２πｆｔ−φ２）とし
、それぞれの光が吃照光ａ　ｓｉｎ　２πｆｔ　　と干
渉した時の元ｔ　Ｉ＋　＋　Ｉ２は以下のようになる。

ただし、光の珈幅ａはすべて等しいとし、では光の周波
数、φ４．φ２は位相である。

ＩＩ　＝　（ａｓｉｎ　２πｆｔ＋ａｓ：１．ｎ（２π
ｆｔ−φ７月２　　より、Ｉ、　＝ａ”　（１＋ｃｏｓ
φ＋　）　　　　　　　　”””　　（ｉ）１司様に工
２＝ａ２（１＋ｃｏｓφ２　）　　　　　　　−−−−
−−（２）従って全元童工は Ｉ　＝　Ｉ、　＋　Ｉ２ ＝　ａ２（２＋ｃｏｓφ、　十ｃｏｏφ２）＝ａ２（２
＋ｃｏｓ仔ｘ、＋ｃｏｅ−Ｔ−ｘ２）　−−（５）たた
し、Ｘ、、Ｘ、は光ｗＪ長で、第１２図よ、！：ｌ　ｘ
、−ｘ。

λ　　　λ ＝Ｘ　２　＝’２である。いま、ｘ、＝０として（６）
式はＩ　＝　ａ２（２＋　１　＋ｃｏｓπ）　＝　２ａ
２・−・・（４）となυ％変動成分を含まない一定レベ
ルの光になるため、明暗の変化をカウントできない。通
常の理想的な使い刀では、（６）式においてｘ、＝ｘ、
であるため％変動成分を富む。

４π Ｉ　＝　２ａ２（１＋ｃＯｓ７　Ａ　ｘ　）　　　　　
・−−−−−（５）ただし、ΔＸは移動距離で、該移動
距離の２倍が一／ｌ、鮎長の変化でおる。第１１図は（
５）式で５　ΔＸ＝ｋｔ　（ｋは比？１Ｊｆｆｉ数）の
場合に相当する。

第１４図は２波長レーザによるドツプラ効果を利用した
レーザ測長機の従来例を示す図である〇光源１からは周
波数が若干異った、周波数ｆ、と周波数ｆ２の２１に類
のレーザ光が得られる。周波数ｆ２　の光は偏光ビーム
スプリッタ１５で反射し固定キューブコーナー６で反射
したのち、再び偏光ビームスプリッタ１５で反射して受
光部２５に向う。−万、周波数で、の光は偏光ビームス
ブリツメ１５を透過して移動キューブコーナ２４で反射
後、再び偏光ビームスプリッタ−５を透過して参照光で
２　と干渉し受光部２５に向う。上記のよプな測長機の
場合でも、移動キューブコーナ２４は測定物体の上に載
っているため、測定物体が傾きを生じると、模式的には
第１２図と同様な光路長の変化を生じる。この場合、（
１）および（２）式はそれぞれつぎのようになる。

ＩＩ　＝ａ”　（１＋　ｃｏｏ　（２ｘ　（ｆ、　−ｆ
、　）を−φ、））−（１）’Ｉ、＝　ａ２（１＋　ｅ
ｏｓ　（２ｘ　（ｆ、−Ｉ２）を−φ２））　　・（２
ＹここでφＩ−江”＋　＊　φ２＝”””２　＋　λは
周波数ｆ、のλ　　　　　λ λ　　　λ 元のｔＢＬ長である。いま、　ｘＩ−ｘ２＝−Ｘ　２　
＝−２−であり、簡単のためＸ、二〇とすると、受光ｓ
２５に入る全光菫工は Ｉ　＝　Ｉ、　＋　５ ＝　ａ’　（２＋ｅｏｓ　２π（ｒ、−ｆ、）ｔ＋ｃｏ
ｅｌ　２π（ｒ＋−Ｉ２）ｔ−π）〕＝２ａ２　　　　
　　　　　　　　　・・・・・・（４）′となり、一定
レベルの光になってしまってドツプラ周波数を測定でき
なくなシ、距離測定が不可能になる。通常の理想的な使
い刀では（１）’　、　＜２）’式でｘ、＝＝Ｘ２　で
あるため、φ、＝φ２＝φとおいてＩ　＝２ａ’（１＋
ｃｏｓ（２ｒ（ｆ、−Ｉ２）ｔ−φ））　−−−−−−
（５）’となり、このとき周波数ｆ、にはコーナキー−
ブ２４の移動速度Ｖに比例した周波数変化Δｆが生じ、
受光部２５では周波数ｆ、　−ｆ２±Δｆのビート信号
が得られ、コーナキー・−ブ２４の移動距ｌＩＩは、の
ようにΔｆ’Ｌ：＄６の間にわたって積分することによ
）求められる。ただし、Ｃは光速である。

上記のように、従来の光干渉を利用した副長機では、移
動ミラーの傾きが第１２図のよう（・Ｃλ／４゜′５／
４λ、５／４λ、・・・・・・生じた場合には、光の干
渉成分が生じなくなバ移動距離の測定が不可能になって
測定誤差を生じる。第１２図で１例えばビーム外径を６
ｍｍ　とすると、半分の５ｍｎｎの範囲でミラーがλ／
４傾いているのであるが、傾き角度に換算するとλ−α
６μｍとして約１０”に相当する。この程度の傾き角は
１機械剛性、熱剛性が弱い機械装置では各局に生じるも
のでおる。

なお、第１０図、第１４図の移動反射ミラー９゜キュー
ブコーナ２４が極端に傾いた場合は、戻り光が２５．２
５等の受光部に戻らなくなるため、戻り元光道を検出し
ておき、これが一定値以下になったことで測定不可能状
態を判断することができるが、上記した１０″程度の傾
きの場合は１反射鏡と受光部との間隔が１ｍでも戻ｐ元
光軸のすれ量は５０μｍと微小であることと、＜４）、
　（ｓ＋式および（４）’、　（５）’式で判るように
、戻り光（干渉光）光量の時間的平均値は傾きの前後で
変化しないから、戻シ光光童で測定可能と不可能との状
態を判断することはできない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、従来法の光干渉による移動距離測長機は
１反射ミラー等の光学系を載せている機械装置に、ある
微小な傾きを生じると、機械４Ａ置の移動に伴い干渉光
の受光部における明暗の変化が検出できなくなるため、
移動距離の測定に誤差を生じるという問題があった。本
発明の目的は、光干渉を利用した測長機において、測定
対象である機械装置に傾きが生じても、測定誤差を生じ
ることなく測定点の移動距離を正確に高精度測定できる
測長機を得ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、参考光と反射光とが干渉してでき名干渉光
ビーム内の干渉縞パタン形状を拡大して５画像モニメす
ることにより達成することができる。

〔作用〕 上記のように８照光と反射光とによって形成される干渉
光ヒーム内の明暗の干渉縞パタンか、はぼ平行に多数本
形成されるように反射ミラーの光軸に対する傾き角を調
整しておき、上記干渉縞パタンヲモニタテレビジョン上
に表示し、反射ミ５−の移動に伴う上記干渉縞パタンの
移動量を検出することにより１元学系を載せている機械
装置に傾きを生じても、上記モニタテレビジ盲ン画面上
における特定点の干渉縞の繰返し数をカウントするとい
う本発明の方法によれば、測定不可能状態になるという
ことがなく、常に正確な移動量の測定を行うことができ
る。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明するＣ第１図
は本発明による高精度測長機の一実施例を示す構成図、
第２図２よび第３図は上記実施例の干渉縞位置ずｎ測定
法の説明図、第４図り本発明の他の実施例を示す構成図
、第５図はファラテ素子の説明図、第６図は移動テーブ
ルの説明図、第７図は本開明のさらに他の実施例を示す
構成図。

第８図は上記実施例の干渉縞位置ずれ測定法の説明図、
第９図は＃動方向判別回路の説明図で、（ａ）は回路図
、（ｂ）は上記回路における出力艮形図である。第１図
において、光源１から出た光はコリメータレンズ２によ
シビーム径が拡大され、ビームスプリータロにより２方
向に分割され、それぞれ対物レンズ６および７により反
射ミラー８および９上に集光される。上記反射ミラー８
．９からの反射光は再びヒームスプリッタ３で合成され
互いに干渉し、Ｔｖカメラ１１またはりニアセンサ等の
多画素受光素子上に干渉縞パタンを結像し、これをモニ
タＴＶ１２等で表示する。光源の元が入射面に平行な振
動方向を持つＰ偏光と、それに直交するＳ偏光の平面偏
光から成る場合には、５を偏光ビームスプリッタとし、
かりλ／４板４および５を挿入することにより、ミラー
８および９からの反射光を貴び光源１側に戻すことなく
、Ｔ’／カメラ１１に導くことができる。上記第１図に
おける反射ミラー９または参照ミラー８Ωいずれかを、
光軸に対して微小角αだけ傾斜させておくことにより％
第２図に示すように等間隔の干渉縞パタン１３をモニタ
ＴＶ上に表示することができる。

第１図のよりにミラー８および９に対向させて対物レン
ズ６．７を置き元を集光させることにより、例えば外径
６ｍｍの光ビームをミラ〜面上でレンズにより１０μｍ
以下のビーム径に絞り込むことが容易にできる０このビ
ーム外径１０μＤ１の半分の範囲で、第１２図に示すよ
うなλ／４の傾きが生じるためには、λ−Ｉ１６μｍと
してミラー傾き角は１．７６にならなければならない。

すなわち第２図の干渉縞パタンの線が画面内で１本増え
るには。

ミラーを載せている機械装置がさらに１．７°だけ傾か
なければならないが、移動テーブル等の機械装置は２″
　以下の直進度をイ与ることは容易であるから、傾きに
よる干渉縞ピッチ間隔の変動を殆んど無視することがで
き、上記対物レンズの光ビームの絞）込みによ）％機械
装置のｆｃＡきによる測定誤差を大幅に改善するＣとか
できる。

第２図の副尺目盛は、あらかじめ固定された月＆をモニ
タＴＶ上に貼付けることもできるし、また波形元午器（
図示せｆ）によりモニタＴＶ上に等間隔目盛パタンを表
示させることもでき、この際、目盛間隔を任意に可変と
することができる。

第２図で干渉縞パタンの打点領域（以下暗部という）と
空白領域（以下明部というンとをそれぞれ１本の目盛線
と考え、干渉縞バ、タンを主尺と考えると、主尺９目盛
の間を副尺１０目盛で刻んである。したがって、のぎす
の目盛と同様の考え方によシ、主尺と副尺との目盛が丁
度一致している副尺目盛金ｎ　（ｎ　＝　Ｏ〜１０）と
すると、δ−「１Ｈａ　（ａ　：主尺の目盛ピッチ）と
して、副尺目盛０位置における主尺目盛の位置すれ鴛を
高精度測定できる。

上記実施例の通用例として第６図に示す移動テーブルの
移動距離を測定゛する場合につい″′Ｃ説明する０第１
図に２点鎖線で囲ん・でわくしたミラ〜９と対物レンズ
７との組θわせを、第６図の移動部６゜に組込み、それ
以外の’ｆｆｉ源ｉｂ　　ビームスプリンタ６、Ｓ照ミ
ラー８．ＴＶ右カメラ１等の光学系を第６図に示す固定
部５１に組込む。゛ｙ〜プルろ２の移動に伴い、第２図
のように干渉縞パタンの特定領域Ｑにおける干渉縞の明
から暗および暗から明へのし繰返し数ｍをカウントすれ
ば、蛛返しの半周期がλ／４（λ：波長）に相当するか
ら、移動距離の概略がλ／４・ｍとして求められる。ま
た干渉縞パタン（主尺）の目盛（明部および暗部の縞）
の位置ずれ電は、上記した方法によ、すδ−工１　　　
　λ ｎａ　＝　コｎ　’　７として求まるため、テーブル移
動後の位置ｘ１は λ ｘ、　＝：　−（ｍ工＋−ｎ、）　　　ｉ：回数として
氷めらｎ、テーブル移動前後の距離はｘ、　−勾のよう
にして求めることができる。

第１図において、コリメーメレンズ２を調整して対物レ
ンズ７の出射光を平行光束にすると、対物レンズ７とミ
ラー９間の距離にかかわらず、形成される干渉縞パタン
（第２図）のピッチ間隔は変らないから、この場合は対
物レンズ７も第６図の固定ｉ１Ｓ、５１に組込み、ミラ
ー９だけを＃動部６０に組込むこともできる。濠だ第１
図では対物レンズ６および７がそれぞれ１枚のレンズで
衣わされているが、一般には複数枚のレンズ群で構成す
ることができ、また、対物レンズがない状態で測定する
ことも可能でめる。

また、第２図に示す測定では、主尺ど副尺の目盛分割比
の他に任意の分割比をとることが可能で、同様な測定が
できる。また間融では、主尺と副尺目盛との一致点を見
出すことにより、主尺１目盛内の移動蓋を検出している
が、この他にも直接ピッチ間隔を補間することができる
。例えば、第２図の副尺目＆５の位置で干渉縞パタンの
移動蓋を測定している場合、＠、シ合う明暗の干渉縞の
間隔の中で一尺目盛５がどの位置にあるかを、Ｔ　Ｖ　
ｊノメラの輝度信号波形と目盛５との叉点を求めること
によシ、補間演典処理することができる０例えは、第８
図でＡ点の干渉縞間隔内の位置はｄ／ａで与えられ、乙
。

第２図は干渉縞パタンが平行となるように対物レンズ６
．７とミラー８．　９間の距Ｍを調部したものであるが
、そうでない場合は干渉縞パタンか第６図に示すように
５円弧状または同心円状の形状になるが、本発明の測定
法は上記のような干渉縞形状にかかわらず成立つもので
ある。

つきに本発明による測定法で、テーブルの前進と恢返の
移動力向を判別する方法を第９図にょって説明する。第
９図（ａ）は移動方向判別回路を示シ２１、同図（１）
）は上記回路の谷部の出力波形図で、　（１）、　（＋
１）。

（１１０・・・・・・はそれぞれ（ａ）における同番号
の各部に対応している。第８図において、干渉縞の暗か
ら暗までのピッチｔＭＪ隔２ａの１／４間隔でＡ点、Ｂ
点の検出点を設け、これらの点ＡおよびＢにおける輝度
信号全七ｔ：、ぞれＳＡ、Ｓｊｌ　　とする（第９図（
ａ）９と、第９図の成形処理によって、前進および後退
の信号をそ扛ぞれ検出することができる。

また、第２図について記した本発明の目盛一致判定法に
ｊｔＬば、λ／２−９たはλ／４（λ：波長）以下の倣
小位置副足が容易に行えるが、これ以上の相位ｆｉｔ測
だについては、必ずしも干渉縞繰返し数をカウントする
方法でなくても、従来めるリニヤスケール（磁気スケー
ル、光学スケール）等によシ粗位置測定を行い、第２図
の微小泣直測定結来とつなざ合わせて、正確な位置測足
を行うことも回部である。

本発明の他の実施例を第７凶にボす。光源１から平面偏
光を得て？ｌＪえばＳ偏光する。ビームスプリッタ１８
により上記Ｓ偏光を分割し、−万をλ／２板２０を通し
てＰ偏光とする。ビームスプリッタ２２で再び上記Ｐ偏
光と光源からのＳ偏光とを合成する。偏光ビームスプリ
ッタ３により、例えばＰ偏光を反射させＳ偏光を透過さ
せるようにする０上記Ｐ偏光は参照ミラ一旦で反射され
、上記Ｓ偏光は反射ミラー９でそれぞれ反射される。

このとき％光路中にλ／４板４．５を入れると、上記ミ
ラ一旦、９からの反射光は、それぞれλ／４板を通過後
、Ｓ偏光およびＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ６
で透過および反射後それぞれ合成されて、干渉縞パタン
を多画素受光索子（ＣＣＤカメラ寺ンに結像する。この
とき、参照ミラ一旦を光軸と直交するミラー８−１と該
ミラー８−１と傾き角αをもって設けられたミラー８−
２とにより構成すると、第８０に示すように、ミラー８
−１からの反射光は主尺の干渉縞パタンを、またミラー
８−２からの反射光は副尺の干渉縞パタンを形成させる
ことができる。このように、副尺目盛の方も干渉縞パタ
ンで形成することができる。

第４９は本発明のさらに他の実施例を示す図である。光
源１から出た光をコリメータレンズ２を通過し、ビーム
スプリッタ６によシ２方向に分割する。分割された光の
一力は偏光ビームスブリツメ１５に進み、０れを透過し
て対物レンズ７でミラー９に集光され反射する◇反射光
が再び偏光ビームスプリツメ１５に戻るまでに、光はλ
／４板５を往復２回通ることになるので反射光の偏光面
は９０″向転している。そのため偏光ビームスブリツメ
１５で反射しδらにキューブコーナ１６で反射後、拘び
偏光ビームスプリッタ１５で反射されて対物レンズ７に
よりミラ−９０同一点に再菱集光嘔れ反射される。Ｃの
反射光が偏光し一ムスプリノタ１５に戻るまでには偏光
面が９Ｄ″回転しでいるため、今度は偏光ビームスグリ
ツタ１５を透過し、ビームスグリツタ５で参照ミラー８
からの参照光と合成され、干渉して干渉縞パタンＩＴｖ
カメラ１１上に結像する０このとき、ミラー８および９
からの反射光の一部はビームスグリツタ５を反射、透過
後／ｌ、源１へ戻り、光源１の出力を不安定にするとい
う問題が生じる。このため本実施例では、光源１側にフ
ァラデ素子１４を設けている。上記ファラデ素子は第５
図に示すように、外部磁界の作用により光の偏光面を回
転させる働きがあり、例えば入射光がＰ偏光であるとす
ると、ファラデ素子１４によ）出射光の偏光面を４５・
回転させることができる。光学系からの戻シ光も同じ偏
光面を有しているが、ファラデ素子１４を再び通過する
ことによりさらに偏光面が４５″回転しＳ偏光となるた
め、ファラデ素子の光源側端面に偏光ノイルタを設けて
おけば、Ｐ偏光は通すがＳ偏光を通さないようにできる
。したがって光源１への戻り光を趣旨できる。上記実施
例ではミラー９で光が２度反射されるため、ＴＶｉ［Ｉ
ｉｉ面上の干渉縞の暗部と明部の間隔はλ／８（λ：波
長）となり、第１図に示した実施例よりも測長分解能が
１７２に向上する。

本発明による＾梢度測長機では、例えばλ＝０．６μｍ
とすると、第１図に示した実施例では［ＬＯ１５μｍ、
また第４図に示した実施例ではｃＬ００Ｂμｍの測長分
解能を容易に得ることができる。

上記第１図およびｍ４囚に示したそれぞれの実施例では
、第２図に示すように主尺と副尺の目盛の一致点を求め
る検出法によシ測定分解能を向上しているが、第８図お
よび第９図に示したように。

画面内の特定点におりる干渉縞の繰返し数を単にカウン
トするだけでも、一般には十分な高精度副長ができるこ
とはいうまでもない。

〔発明め効果〕

上記のように本発明による尚梢度副長機は、光軸に対す
る直交位置から少し傾けた反射鏡または参照鏡からの反
射光または奈照光を、互いに干渉させて得たほぼ等間隔
の明暗の干渉縞パタンを多１累受光素子でモニタして目
盛の画□□□とし、上記目盛と、若干目盛ピッチを異に
して形成した別目盛との一致、不一致の状態を測定して
、上記反射鏡が置かれているＳ動物体のｌｅ動距雛を測
定することによシ、　ｌ１ＩＪ長分ｐｉ＃能がすぐれた
高稍密創長が可耗でめり、また、ミラーを載せて移動す
る移動デープルに傾きを庄じても、干渉縞のカウントミ
スをすることがないので、信頼性が高い測長を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高稍度測長機の一実施例を示す構
成図％第２図および第３図は上記実施例の干渉縞位置ず
ｎ測定法の説明図、第４図は本発明の他の実施例を示す
構成図、第５図はファラデ素子の説明図、第６は移動テ
ーブルの諸明図、第７因は本発明のさらに他の実施例を
示す構成図、第８図は上記実施例の干渉縞位置ずれ測定
法の説明図、第９図は移動方向判別回路の説明図で、（
ロ））は回路図、（ｂ）は上記回路における出力鼓形図
、第１０図は従来のマイケルソン干渉計の説明図％第１
１図は上記マイケルノン干渉計における干渉縞検出例を
示す図、第１２図は従来のドツプラ効果を利用したレー
ザ測長機の説明図、第１６図および第１４図はミラーの
傾きによる干渉縞検出不可能状態の説明図である。 ８・・・−照説、９・・・反射鏡、１１・・・多画素受
光素子。 １３．１３’・・・干渉縞パタン、５２・・・移動物体
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光軸に対する直交位置から少し傾けた反射鏡または
   参照鏡からの反射光または参照光を、互いに干渉させて
   得たほぼ等間隔の明暗の干渉縞パタンを、多画素受光素
   子でモニタして目盛の画像とし、上記目盛と、若干目盛
   ピッチを変えて形成した別目盛との一致、不一致の状態
   を測定することにより、上記反射鏡が置かれている移動
   物体の移動距離を測定する高精度測長機。 ２、上記目盛と、若干目盛ピッチを変えて形成した別目
   盛との一致、不一致の状態の測定は、上記多画素受光素
   子の特定領域における明暗の干渉縞パタンの繰返し数を
   カウントするものであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載した高精度測長機。 ３、上記目盛と、若干目盛ピッチを変えて形成した別目
   盛との一致、不一致の状態の測定は、上記特定領内の干
   渉縞間隔について行うことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項に記載した高精度測長機。