JPWO2008146480A1 - 測長装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ光を使用した光学式の測長装置に関し、高精度の測定を可能にすることを目的とする。被検物までの距離を測定する測定用レーザ光源を有する測長部と、前記測定用レーザ光源のレーザ光よりも波長安定度が高いレーザ光を発する較正用レーザ光源と、前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系の出力と前記測長部の出力とに基づいて前記距離を演算する演算処理部とを備えてなることを特徴とする。

Description

本発明は、レーザ光を使用した光学式の測長装置に関する。

測長装置として、例えば、被写体の測定方向に移動可能な移動台と、この移動台上に設けられ、被写体のエッジを検出するエッジ検出光学系と、レーザ光を出射するレーザ光源と、移動台上に設けられた可動鏡で反射されたレーザ光源からのレーザ光に基づき移動台の移動量を検出するレーザ干渉計などを具備した装置が知られている（特許文献１）。
特許第３４１８２３４号公報

上述した測長装置を含む光学式の測長装置では、通常、レーザ光源としてゼーマン波長安定化レーザが使用されており、その波長安定度は１×１０^-8程度である。

したがって、このゼーマン波長安定化レーザを使用した測長装置では、長さを測定する不確かさは１×１０^-8よりもよくなることはない。例えば、１ｍの標準尺を測定する場合では１ｍ×１×１０^-8＝１０ｎｍ程度の精度が限界である。

ゼーマン波長安定化レーザに代えてそれより波長安定度の優れた、例えば波長安定度が２×１０^-12のよう素安定化レーザを使用することが検討されたが、このよう素安定化レーザは光パワーが小さく、移動する被検物に対しては不向きであり、また光干渉性が優れず、測長には使用することが非常に難しいといわれている。

本発明は、高精度の測定が可能な光学式の測長装置を提供することを目的とする。

第１の発明の測長装置は、被検物までの距離を測定する、測定用レーザ光源を有する測長部と、前記測定用レーザ光源のレーザ光よりも波長安定度が高いレーザ光を発する較正用レーザ光源と、前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系の出力と前記測長部の出力とに基づいて前記距離を演算する演算処理部とを備えてなることを特徴とする。

第２の発明の測長装置は、前記較正用レーザ光源がよう素安定化レーザ光源であることを特徴とする。

第３の発明の測長装置は、前記干渉光学系の出力が、前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光との周波数差分で、前記演算処理部が、前記周波数差分から前記測定用レーザ光源のレーザ光の波長を演算し、この演算結果に基づいて前記測長部の出力から前記距離を演算することを特徴とする。

第４の発明の測長装置は、前記演算処理部で演算して求めた前記距離に基づく情報を表示する表示部を備えてなることを特徴とする。

第５の発明の測長装置は、前記干渉光学系が、前記測長部での前記距離の測定時に前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光とを干渉させ、前記演算処理部が、前記測長部での前記距離の測定時に前記干渉光学系の出力と前記測長部の出力とに基づいて前記距離を演算することを特徴とする。

本発明によれば、高精度の測定が可能となる。

本発明の測長装置の一実施形態を示す概略図である。 波長補正の一例を示す説明図である。 波長補正の他の例を示す説明図である。

以下本発明の測長装置について図１を参照して説明する。

図１は本発明の測長装置の一実施形態の概略図である。図１に示すように、測長装置１０は、測定用レーザ光源としてのゼーマンレーザ光源１１と、このゼーマンレーザ光源１１のレーザ光を被検物（移動テーブル２１）に照射して被検物までの距離を測定する測長部としての測長装置本体１２と、ゼーマンレーザ光源１１のレーザ光よりも波長安定度が高いレーザ光を発する較正用レーザ光源としてのよう素安定化レーザ光源１４と、ゼーマンレーザ光源１１のレーザ光とよう素安定化レーザ光源１４のレーザ光とを干渉させる干渉光学系（ハーフミラー３２、検出器３４）と、干渉光学系の出力（検出器３４の出力）と測長装置本体１２の出力（計数器２６）とに基づいて前記距離を演算する演算処理部１６を具備する。

測長装置本体１２には、ベッド２０と、このベッド２０上に不図示の移動機構によって図面の矢印方向（図１の左右方向）に移動するように装備された被検物としての移動テーブル２１とが配置される。

測定時、移動テーブル２１上には、測定する標準尺２２が移動テーブル２１の移動方向に定置されている。移動テーブル２１を図面の左右方向に送り、測定する標準尺２２に刻印された目盛を目盛り線用顕微鏡２３で検出する。

移動テーブル２１の一端には、移動テーブル２１の送り距離を測定するためにゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光を反射する反射鏡２４が装備される。

なお、測長装置本体１２には、上述した標準尺２２と目盛り線用顕微鏡２３が装備される。

ゼーマンレーザ光源１１と移動テーブル２１との間の光路にはハーフミラー２５が配置され、このハーフミラー２５によってゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光を２つに強度分割する。

ハーフミラー２５を透過して分割されたレーザ光は反射鏡２４に照射される。この反射鏡２４で反射した反射光はハーフミラー２５に戻り、このハーフミラー２５で反射した光と参照鏡２７から反射した光が干渉し、フォトディテクタ２９に入射して電気信号に変換され、計数器２６で移動テーブル２１の座標が計測される。

計数器２６には、反射光の周波数信号の他に、ゼーマンレーザ光源１１からの直接光が不図示のフォトディテクタで電気信号に変換された直接光の周波数信号が入力される。計数器２６では、この直接光の周波数信号と反射光の周波数信号から直接光と反射光との位相差を求めて、この位相差情報（移動テーブル２１の送り距離情報）を演算処理部１６に出力する。

ハーフミラー２８で反射して分割された、ゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光は、波長板３１を介してよう素安定化レーザ光源１４と干渉光学系（ハーフミラー３２、検出器３４）を含む較正用光学系３０に向かう。波長板３１は光の偏光面を調整するものである。ハーフミラー２８で反射したゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光は波長板３１でその偏光面を調整した後、較正用光学系３０に配置された干渉光学系を構成するハーフミラー３２に至る。

よう素安定化レーザ光源１４からの光はビームエキスパンダ３３を通過し、このビームエキスパンダ３３でゼーマンレーザ光源１１からの光とビーム径が略同じになるように調整された後、同じくハーフミラー３２に至る。

よう素安定化レーザ光源１４からのレーザ光は、ハーフミラー３２を通過する一方、ゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光はハーフミラー３２で反射し、このハーフミラー３２により互いに干渉し合って共に集光レンズ３３側に向かう。干渉した両光は集光レンズ３３を介して検出器（例えばアバランシェフォトダイオード）３４の検出面上に集光する。

検出器３４では入射した光を電気信号に変換して出力する。ゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光の周波数をＶａとし、よう素安定化レーザ光源１４からのレーザ光の周波数をＶｉとすると、検出器３４から出力される電気信号（干渉光学系の出力）の周波数は両レーザ光の周波数の差であるＶｉ−Ｖａとなる。これをＶｂで表して、ビート信号と称する。このビート信号Ｖｂは広帯域アンプ３５によって増幅されて周波数カウンタ３６に入力され、信号周波数がカウントされ、演算処理部１６によってゼーマンレーザ光源１１の波長λａが求められる。

すなわち、
Ｖｂ＝｜Ｖａ−Ｖｉ｜
ここで、よう素レーザ光の周波数Ｖｉはゼーマンレーザ光の周波数Ｖａよりも常に高いと仮定すれば、Ｖａ＝Ｖｉ−Ｖｂ（Ｈｚ）と表すことができる。

真空中の光速度Ｃ＝２９９７９２４５８（ｍ／ｓ）であるので、
ゼーマンレーザ光の波長λａは、
λａ＝Ｃ／Ｖａ＝２９９７９２４５８／（Ｖｉ−Ｖｂ）となる。

ビート信号の周波数Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉで表したゼーマンレーザ光の波長λａの情報は演算処理部１６に出力される。

演算処理部１６では、ビート信号の周波数Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉで表したゼーマンレーザ光の波長λａ情報を使用して測長装置本体１２の出力である移動テーブル２１の送り距離情報を演算処理し、次いでこの移動テーブル２１の送り距離情報から標準尺２２の目盛り線の間隔を求める。

演算処理部１６の演算処理結果は必要に応じて表示部１７で表示させることができる。表示部１７には、例えば目盛り線の間隔の公称値と測定値とが並んで表示される。また、表示部１７で表示させる一方、不図示のプリンタで印字させることも可能である。

よう素安定化レーザ光源１４からのレーザ光を利用せず、ゼーマンレーザ光源１１からのレーザ光のみで測定を行った場合では、このレーザ光の波長安定度が１×１０^-8程度であることから、標準尺２２の目盛り位置の測定の不確かさは１×１０^-8程度に止まるが、本実施形態のようによう素安定化レーザ光源１４からのレーザ光を利用してゼーマンレーザ光の波長λａをビート信号の周波数Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉとで求めた場合、よう素レーザ光の波長安定度が２×１０^-12であるので、標準尺２２の目盛り位置の測定の不確かさは２×１０^-12程度と格段に向上する。

また、よう素レーザ光を直接移動テーブル２１の反射鏡２４に照射して反射させることにより移動テーブル２１の送り距離を測定するのではなく、ゼーマンレーザ光を利用して求めた移動テーブル２１の送り距離情報をよう素レーザ光の周波数Ｖｉなどを利用して演算処理して求めることにより、よう素レーザ光を利用する不都合（パワーが小さい、移動する被検物に対しては不向きである、干渉性が良くない）がなく、高精度の測定が可能となる。

本実施形態では、測定用レーザ光としてのゼーマンレーザ光よりも安定度の高いレーザ光としてよう素レーザ光を使用した場合を示したが、これに限定されるものではない。

また、本実施形態では、標準尺２２の目盛り位置の測定と同時にビート信号Ｖｂの信号周波数をカウントして、ゼーマンレーザ光源１１の波長λａをビート信号Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉとで演算し求めた場合を示したが、例えば標準尺２２の目盛り位置の測定を行った後、ゼーマンレーザ光源１１の波長λａをビート信号Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉとで演算してもよい。また、ゼーマンレーザ光源１１の波長λａをビート信号Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉとで演算しておいてから標準尺２２の目盛り位置の測定を行うようにしてもよい。

図２は、標準尺２２の目盛り位置の測定と同時にビート信号Ｖｂの信号周波数をカウントして、ゼーマンレーザ光源１１の波長λａをビート信号Ｖｂとよう素レーザ光の周波数Ｖｉとで演算して求める場合の波長補正の詳細を説明する図である。

この方法では、図２に示す標準尺２２の目盛(Ｓ１，Ｓ２…，Ｓｎ)を測定する毎にゼーマンレーザ光源１１の波長λａが補正される。

すなわち、目盛Ｓ１を測定した時のゼーマンレーザ光源１１の波長をλａ１、同様に目盛Ｓ２、…、Ｓｎを測定したときの波長をλａ２、…、λａｎとする。また、波長補正前における目盛Ｓ１，Ｓ２…，Ｓｎの位置測定結果を、Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐｎとする。ここで、波長補正前というのは、ゼーマンレーザ光源１１の波長の公称値λａ０を使用した測定値である。例えば、波長補正をしない場合には、目盛Ｓ１と目盛Ｓ２の間隔は、Ｐ２−Ｐ１である。

一方、波長補正を考慮すると、目盛Ｓ１の位置はＰ１で、その時のゼーマンレーザ光源１１の波長はλａ１である。従って、波長補正を行った後の位置Ｐ’１は次の式で表される。

Ｐ’１＝Ｐ１×λａ１／λａ０
同様に、目盛Ｓ２については、Ｐ’２＝Ｐ２×λａ２／λａ０と表される。

従って、波長補正をした後の目盛Ｓ１と目盛Ｓ２の間隔は、
Ｐ’２−Ｐ’１＝Ｐ２×λａ２／λａ０−Ｐ１×λａ１／λａ０
と表される。

図３は、標準尺２２の目盛り位置の測定を行った後、ゼーマンレーザ光源１１の波長λａの平均値λａｍを用いて波長補正を行う例を説明する図である。

この方法では、図３に示す標準尺２２の目盛(Ｓ１，Ｓ２…，Ｓｎ)を測定する時間の間にゼーマンレーザ光源１１の波長λａを平均して平均値λａｍが求められる。

そして、波長補正を行った後の位置Ｐ’１は次の式で表される。

Ｐ’１＝Ｐ１×λａｍ／λａ０
同様に、目盛Ｓ２については、Ｐ’２＝Ｐ２×λａｍ／λａ０と表される。

従って、波長補正をした後の目盛Ｓ１と目盛Ｓ２の間隔は、
Ｐ’２−Ｐ’１＝Ｐ２×λａｍ／λａ０−Ｐ１×λａｍ／λａ０
＝(Ｐ２−Ｐ１)×λａｍ／λａ０
と表される。

Claims (5)

1. 被検物までの距離を測定する、測定用レーザ光源を有する測長部と、
   前記測定用レーザ光源のレーザ光よりも波長安定度が高いレーザ光を発する較正用レーザ光源と、
   前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光とを干渉させる干渉光学系と、
   前記干渉光学系の出力と前記測長部の出力とに基づいて前記距離を演算する演算処理部と、
   を備えてなることを特徴とする測長装置。
2. 請求項１記載の測長装置において、
   前記較正用レーザ光源はよう素安定化レーザ光源であることを特徴とする測長装置。
3. 請求項１または請求項２記載の測長装置において、
   前記干渉光学系の出力は、前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光との周波数差分であり、
   前記演算処理部は、前記周波数差分から前記測定用レーザ光源のレーザ光の波長を演算し、この演算結果に基づいて前記測長部の出力から前記距離を演算することを特徴とする測長装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の測長装置において、
   前記演算処理部で演算して求めた前記距離に基づく情報を表示する表示部を備えてなることを特徴とする測長装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の測長装置において、
   前記干渉光学系は前記測長部での前記距離の測定時に前記測定用レーザ光源のレーザ光と前記較正用レーザ光源のレーザ光とを干渉させ、
   前記演算処理部は前記測長部での前記距離の測定時に前記干渉光学系の出力と前記測長部の出力とに基づいて前記距離を演算することを特徴とする測長装置。

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