WO2016084239A1 - ２色干渉計測装置 - Google Patents

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WO2016084239A1
WO2016084239A1 PCT/JP2014/081590 JP2014081590W WO2016084239A1 WO 2016084239 A1 WO2016084239 A1 WO 2016084239A1 JP 2014081590 W JP2014081590 W JP 2014081590W WO 2016084239 A1 WO2016084239 A1 WO 2016084239A1
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WO
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light
interference
measurement
laser
laser light
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/081590
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
善之 川田
智浩 青戸
Original Assignee
株式会社東京精密
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 株式会社東京精密 filed Critical 株式会社東京精密
Priority to PCT/JP2014/081590 priority Critical patent/WO2016084239A1/ja
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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

Definitions

  • the present invention relates to a two-color interference measurement apparatus, and more particularly to a two-color interference measurement apparatus that measures distance (length) and angle using a two-color interference method using laser light sources having two different wavelengths.
  • a homodyne type interference measuring apparatus using a single wavelength such as a HeNe laser as a measuring method for measuring the distance (length) of an object using optical interferometry.
  • the homodyne interference measurement apparatus divides laser light emitted from a single light source into measurement light and reference light, and the measurement light reflected by the moving reflector and the reference mirror attached to the measurement object and Since the reference light is overlapped and interfered, in the distance measurement in the atmosphere, fluctuations in the atmospheric fluctuation due to temperature, atmospheric pressure, humidity, etc. cause a change in refractive index, resulting in a measurement error. Even if an environmental sensor is used with a high-precision light source such as a Zeeman laser, there is a problem that atmospheric fluctuations are distributed and cannot be corrected accurately.
  • Patent Document 1 discloses a two-wavelength phase control optical device configured to self-compensate for atmospheric fluctuations using the principle of two-color interferometry using two-wavelength laser light.
  • the problem of atmospheric fluctuation can be self-compensated using the two-color interferometry and cannot be easily affected by the atmospheric fluctuation (hereinafter referred to as “the problem of atmospheric fluctuation”) as in Patent Document 1, the two-color interferometry is used.
  • the two-color interferometry In order to realize a measuring device that measures distance (length) and angle (yawing, pitching), it is necessary to solve the following problems (problems).
  • the (L2-L1) measurement error is A times, and the coefficient A is several tens to several hundreds. Accordingly, how to reduce the measurement optical path length (L2-L1) error is important in realizing a measurement apparatus using the two-color interferometry.
  • two laser light sources with stable frequency stability are required as two-color laser light sources.
  • an optical comb with high frequency stability is used as the first light source, and a second harmonic generator (SHG) that generates a frequency twice that of the first light source is used as the second light source.
  • SHG second harmonic generator
  • a combination using a YAG laser as the first light source and SHG as the second light source have the problem that the apparatus is expensive and the selectivity of the wavelength (frequency) is low. For this reason, the combination of the optical comb and SHG has a problem that the coefficient A is large (hereinafter, “The problem of two types of laser light sources with good frequency stability").
  • the two-color interferometry is used only for refractive index correction, and a measuring device for measuring distance (length) and angle using the two-color interferometry is still commercialized. The actual situation is not.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and is suitable as an actual apparatus because it can measure distances and angles with high accuracy using the two-color interferometry and is also inexpensive in price.
  • An object of the present invention is to provide a two-color interference measuring apparatus.
  • the two-color interferometer of the present invention includes a first laser light source that emits a first laser beam, a second laser light source that emits a second laser beam, A first laser beam emitted from one laser light source is divided into a first reference beam and a first measurement beam, which are attached to the first reference beam reflected by the fixed reflector and the measurement object.
  • the first laser beam reflected by the movable reflector is combined at a first interference position to generate a first interference beam, and the second laser emitted from the second laser light source
  • the light is divided into a second reference light and a second measurement light, the second reference light is moved back in the optical path of the first reference light, and the second measurement light is converted into the first measurement light.
  • the optical path of the measurement light is reversed and reflected by the second reference light reflected by the fixed reflector and the moving reflector.
  • the second measurement light is combined at the second interference position to generate second interference light, and is arranged in the optical path of the first reference light and the second reference light.
  • a wedge prism disposed in an optical path of the first measurement light and the second measurement light, and a first interference light that receives the first interference light and detects a first interference signal. It comprises a light detection means and a second light detection means for receiving the second interference light and detecting a second interference signal.
  • the two-color interference measuring apparatus of the present invention calculates the distance of the measurement object by calculating the moving amount, moving direction, and extension / contraction direction of the optical path length due to atmospheric fluctuations from the first and second interference signals. It is preferable to provide a signal processing device for calculation.
  • the first and second light detection means are arranged at a predetermined interval in a direction perpendicular to the optical axes of the first and second interference lights and in the formation of interference fringes. It is preferable to detect an interference signal having a plurality of photodetectors and including a plurality of phases whose phases are shifted by a predetermined angle.
  • Proximity described below means the distance that two laser beams can pass through almost the same atmospheric environment.
  • the two-color interferometer of the present invention it is not only difficult to be affected by atmospheric fluctuations by the self-compensation of the two-color interferometry, but also emits laser beams having different frequency with higher accuracy than 10 ⁇ 8.
  • Two types of laser light sources (a first laser light source and a second laser light source) are used to constitute a two-axis optical interference mechanism. Thereby, the measurement error resulting from the laser light source and the measurement error resulting from the optical axis alignment can be reduced.
  • a plurality of photodetectors that pass two laser beams through the wedge prism and slightly incline the wavefront (for example, incline the wavefront by one wavelength or more) and are orthogonal to the optical axis and arranged at predetermined intervals in the interference fringe formation direction. Since the detection is performed by the light detection means (first light detection means, second light detection means) having, the moving direction and fluctuation direction of the moving reflector can be grasped. Thereby, the measuring method of the measuring device using the two-color interferometry can be specifically constructed.
  • the two-color interference measuring apparatus of the present invention has the conventional problems of “atmospheric fluctuation”, “two types of laser light sources with good frequency stability”, “optical axis alignment”, and “Problem of materialization of measurement method” can be solved.
  • the distance and angle can be measured with high accuracy using the two-color interferometry, and the price is also inexpensive, so that it is possible to provide a two-color interference measurement apparatus suitable as an actual apparatus.
  • the two-color interference measuring apparatus of the present invention is provided for each optical system in which the optical interference mechanism of the two optical axis system is provided so as to form at least two parallel optical axes, and for each of the optical systems.
  • the tilt angle of the measurement object is calculated from the movement reflectors arranged in the vertical direction and / or the horizontal direction and the movement amount of the movement reflector for each system calculated by the signal processing device. An aspect provided with an angle calculation device can be taken.
  • the two laser light sources are preferably a HeNe laser light source having a wavelength of 633 nm and a semiconductor laser light source having a wavelength of 1550 nm.
  • a combination of a HeNe laser light source having a wavelength of 633 nm and a semiconductor laser light source having a wavelength of 1550 nm is suitable for the following reasons a) to f).
  • a) The A coefficient can be reduced because the wavelengths are separated, and the frequency stability is more accurate than 10 ⁇ 8 and the wavelength can be calibrated easily (a laser having a wavelength less than 500 nm or a wavelength exceeding 1684 nm is difficult to calibrate) .
  • the 633 nm and 1550 nm wavelength bands are sensitive to silicon and indium gallium arsenide photodetectors, but not the opposite, so the 633 nm wavelength photodetector detects light in the 1550 nm wavelength band.
  • the photodetector for the wavelength 1550 nm band does not detect the light of wavelength 633 nm, an error due to the crosstalk of the photodetector can be avoided.
  • the wavelength in the 1550 nm band is eye-safe, there is little danger when it enters the eye.
  • a light source having a long overinterference distance can be prepared inexpensively (for example, 10 m or more).
  • the 1550 nm band is rich in optical components, an interferometer can be assembled at low cost.
  • the wavelength in the 1550 nm band is robust against refractive index changes and refractive index fluctuations due to wavelength fluctuations. And can be robust.
  • n-1 k1 (1 + k2 / ⁇ 2) Equation 1
  • k1 refractive index
  • k2 constant ⁇ : wavelength
  • the semiconductor laser light source is provided with a temperature control device for controlling the temperature of the laser beam.
  • the first reference light and the second reference light travel backward in the same optical path with respect to the wedge prism, and the wedge prism to the first interference position. It is preferable that the optical path length of the second reference light from the wedge prism to the second interference position is longer than the optical path length of the first reference light.
  • the optical path lengths from the wedge prism to the first and second light detection means are different for the two reference lights. Therefore, the position shift due to refraction at the wedge prism can be adjusted by the two reference lights. Thereby, measurement accuracy can be improved.
  • the first and second measurement lights are incident on one corner of the moving reflector, reflected by a right-angle reflecting surface, and emitted from the other corner.
  • the first and second reference beams are configured to enter one corner of the fixed reflector, be reflected by a right-angle reflecting surface, and exit from the other corner. Is preferred.
  • a pattern with respect to the light detection means is caused by a slight deviation from the central part. (For example, three stripes) are generated, and it is difficult to obtain an ideal detection signal (sine wave). This causes measurement errors.
  • the light splitting / combining means is configured such that the optical path length is asymmetric on the moving reflector side and the fixed reflector side, and the refractive index of the two wavelengths of the laser beam path other than the wedge prism and other air. It is preferable to correct an error due to a temperature change due to a difference in temperature coefficient.
  • the light splitting and synthesizing means is made of a material having the same thermal expansion coefficient as that of the wedge prism, and the first and second measurement lights of the light splitting and synthesizing means pass therethrough.
  • the thickness in the optical axis direction of the portion where the first and second reference beams pass is thicker than the thickness in the optical axis direction of the wedge prism by half the thickness in the optical axis direction of the wedge prism. It is preferable.
  • a first intensity distribution shaping element is disposed between the first laser light source and the light splitting and synthesizing means, and the Gaussian beam of the first laser light is The first intensity distribution shaping element is converted into a flat-top output beam, and a second intensity distribution shaping element is disposed between the second laser light source and the light splitting and synthesizing means.
  • the Gaussian beam is converted into a flat top output beam by the second intensity distribution shaping element.
  • the two-color interference measuring apparatus of the present invention preferably includes an intensity distribution molding element that converts a laser intensity distribution of a vertical section of the two laser beams in a laser traveling direction into a top flat laser intensity distribution.
  • the two-color interferometer of the present invention comprises laser light visualization means for visualizing laser light that passes through a common optical path in which the first and second laser lights are opposite to each other, and the laser is visualized from one surface of the laser light visualization means. It is preferable to confirm the misalignment of the alignment between the first and second laser beams by observing the light.
  • the measuring device using the two-color interferometry of the present invention it is possible to provide a measuring device that can measure a distance and an angle with high accuracy and is inexpensive in price and has sufficient performance as an actual device. .
  • Explanatory drawing which shows an example of the moving apparatus of a moving reflector Diagram showing the relationship between interference signal strength and distance Explanatory drawing explaining the principle of distance measurement using a wedge prism and quadrant light detection means Explanatory drawing explaining the moving direction of a moving reflector Relationship diagram between the wavelength of the other laser light source and the coefficient A when a HeNe laser light source having a wavelength of 633 nm is used as one laser light source.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a two-color interference measuring apparatus 10 that measures a distance (length) using a two-color interferometry.
  • the two-color interference measuring apparatus 10 mainly includes two types of laser light sources (first laser light source and second laser light source) 12 and 14 having different wavelengths, a light splitting and synthesizing unit 16, A movable reflector 18 that is attached to a measurement object (not shown) and reflects measurement light (first measurement light, second measurement light) X1, Y1, and reference light (first reference light, second measurement light).
  • Reference light A fixed reflector 20 that reflects X2 and Y2, a wedge prism 22 through which the reference light X2 and Y2 pass backward in the same optical path, and two laser beams from the laser light sources 12 and 14 (first The first and second light detection means 24 and 26 for detecting the interference light X3 and the second interference light Y3), and the signal processing device 28.
  • the laser light sources 12 and 14 emit laser beams having different wavelengths (first laser beam and second laser beam), and the laser light sources 12 and 14 have a frequency stability higher than 10 ⁇ 8. Preferably there is. Moreover, it is preferable that the laser light sources 12 and 14 have high wavelength (frequency) selectivity, and a wavelength difference of 400 nm or more can be obtained.
  • the laser light sources 12 and 14 that satisfy such conditions, for example, a combination of a HeNe laser light source 12 having a wavelength of 633 nm and a semiconductor laser light source 14 having a wavelength of 1550 nm can be preferably used.
  • the semiconductor laser light source 14 is preferably provided with a temperature control device 30 that controls the temperature of the semiconductor laser to maintain a constant temperature in order to obtain the above-described frequency stability.
  • the two types of laser light sources 12 and 14 of the measuring apparatus using the two-color interferometry can be configured with high frequency stability and at a low price.
  • the laser light emitted from the HeNe laser light source 12 is referred to as laser light X
  • the laser light emitted from the semiconductor laser light source 14 is a laser. This is called light Y.
  • the laser beam X (solid line) emitted from the HeNe laser light source 12 propagates through the optical fiber 32 and enters the first collimator lens 34, and is converted into parallel light by the first collimator lens 34. The light is converted and incident on the light splitting / combining means 16.
  • the laser beam Y (dotted line) emitted from the semiconductor laser light source 14 propagates through the optical fiber 36 and enters the second collimator lens 38, and is converted into parallel light by the second collimator lens 38. The light is reflected by the two mirrors 40 and 42 and enters the light splitting / combining means 16.
  • the optical fibers 32 and 36 are light transmission paths and have a function of transmitting and receiving light between devices.
  • the optical fibers 32 and 36 are made of quartz glass or plastic with high transmittance, and light can be propagated only to the core by making the refractive index of the core higher than that of the outside.
  • the beam splitting / synthesizing means 16 is an optical element that splits the laser beams X and Y into the measuring beams X1 and Y1 and the reference beams X2 and Y2, and is preferably a beam splitter, a half mirror, or a unit having the same function. Can be used.
  • the mirrors 40 and 42 form a two-axis optical interference mechanism in which the laser beam X emitted from the HeNe laser light source 12 and the laser beam Y emitted from the semiconductor laser light source 14 are parallel and close to each other. This is for adjusting the optical axis direction. Therefore, the arrangement of the HeNe laser light source 12 and the semiconductor laser light source 14 may not be used when a two-axis optical interference mechanism that is parallel and close without using the mirrors 40 and 42 can be formed.
  • the laser light X incident on the light splitting / combining means 16 is split into measurement light X1 that travels to the moving reflector 18 and reference light X2 that travels to the fixed reflector 20. Then, the measurement light X1 reflected by the moving reflector 18 and the reference light X2 reflected by the fixed reflector 20 are incident on the light splitting / combining means 16 again and are superimposed (synthesized) to generate interference light X3. .
  • the laser beam Y incident on the beam splitting / combining means 16 is split into measurement beam Y1 that travels to the moving reflector 18 and reference beam Y2 that travels to the fixed reflector 20. Then, the measurement light Y1 reflected by the moving reflector 18 and the reference light Y2 reflected by the fixed reflector 20 are incident again on the light splitting / combining means and are generated as interference light Y3.
  • the laser beam X and the laser beam Y form a light interference mechanism of two optical axes that are parallel and close to each other, and the measurement proceeds between the light splitting / combining means 16 and the moving reflector 18.
  • the light X1 and the measurement light Y1 travel backward with respect to each other in the same optical path.
  • the reference light X2 and the reference light Y2 traveling between the light splitting / combining means 16 and the fixed reflector 20 travel backward in the same optical path.
  • the reason why the laser beam X and the laser beam Y are brought close to each other is that the influence of the position change distribution of atmospheric fluctuation is reduced when passing through the same atmospheric environment (temperature, atmospheric pressure, humidity, etc.).
  • a wedge prism 22 is disposed on the exit side of the fixed reflector 20.
  • the wavefronts of the reference beams X2 and Y2 passing through the wedge prism 22 are slightly tilted with respect to the optical axis before passing.
  • the wedge prism 22 is not limited to the exit side of the fixed reflector 20, and may be disposed either on the incident side or the exit side of the fixed reflector 20 or the moving reflector 18.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the optical path of the laser beam X emitted from the HeNe laser light source 12 in the two-color interference measuring apparatus 10 shown in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the optical path of the laser light Y emitted from the semiconductor laser light source 14 with broken-line arrows. 2 and 3, the optical fibers 32 and 36, the collimator lenses 34 and 38, and the mirrors 40 and 42 are not shown in order to avoid the complexity of the drawings.
  • the reference light X2 of the HeNe laser light source 12 and the reference light Y2 of the semiconductor laser light source 14 travel backward through the wedge prism 22 in the same optical path.
  • R1 is the optical path length from the output end 22b to the fixed reflector 20
  • R2 is the optical path length in the fixed reflector 20
  • R3 is the optical path length from the fixed reflector 20 to the interference position 16b. is there.
  • the refraction angle of the reference light X2 that has passed through the wedge prism 22 is larger than the refraction angle of the reference light Y2 that has passed through the wedge prism 22 due to the difference in frequency. For this reason, the optical path length R of the reference light Y2 from the wedge prism 22 to the interference position 16b is made longer than the optical path length Q of the reference light X2 from the wedge prism 22 to the interference position 16a.
  • the position of the wedge prism 22 is adjusted so that the positional deviation of the reference light X2 with respect to the interference position 16a and the positional deviation of the reference light Y2 at the interference position 16b are approximately the same, and the optical path of the reference light Y2 Increase the length R. This facilitates the alignment of the first and second light detection means 24 and 26.
  • the two-color interference measuring apparatus 10 has a configuration in which the reference light X2 and the reference light Y2 are moved backward with respect to one wedge prism 22 in the same optical path, the optical path lengths Q and R are obtained by the single wedge prism 22. Can be adjusted.
  • the interference light X3 generated by the light splitting and synthesizing means 16 is received by the first light detection means 24 via the first lens (for example, a cylindrical lens) 44, and is an interference signal (first analog signal). 1 interference signal) and output to the signal processor 28.
  • the interference light Y3 generated by the light splitting and synthesizing means 16 is received by the second light detecting means 26 via the second lens (for example, a cylindrical lens) 46, and is an interference that is an electric signal (analog). It is converted into a signal (second interference signal) and output to the signal processing device 28.
  • the first and second lenses 44 and 46 are a plurality of photodetectors a in which the interference lights X3 and Y3 generated by the light splitting and synthesizing unit 16 are arranged at predetermined intervals in a direction perpendicular to the optical axis and in the formation of interference fringes. , B, c and d (see FIG. 6), the laser beams X and Y are expanded to the size of the light detection means 24 and 26.
  • the signal processing device 28 can be configured, for example, by combining a signal processing circuit, a counter, and a computer.
  • the first and second light detection means 24, 26 have a plurality of photodetectors a, b, c, d (see FIG. 6) which are orthogonal to the optical axis and arranged at predetermined intervals in the interference fringe formation direction. Then, a plurality of phase signals whose phases are shifted by a predetermined angle are detected.
  • the signal processing device 28 the movement amount of the moving reflector 18 and the moving direction of the moving reflector 18 are obtained from the interference signals obtained by the light detection means 24, 26, and the expansion / contraction of the optical path length due to atmospheric fluctuations is taken into account. The amount of movement of the moving reflector 18 attached to the measurement object is calculated. Thereby, the moving distance (length) of the measurement object can be measured.
  • the moving reflector 18 is mounted on the moving device 48.
  • the moving device 48 includes the moving reflector 18, the linear motion stage 50, and the like.
  • a retroreflective CCP corner cube prism
  • a right-angle prism mirror is used as the moving reflector 18.
  • the moving reflector 18 makes the measurement beams X1 and Y1 emitted from the light splitting / combining means 16 incident on a plane that is combined at right angles, and reflects it in the opposite direction parallel to the incident direction.
  • the measurement beams X1 and Y1 returned from the moving reflector 18 need to maintain a two-optical axis system.
  • the measurement beams X1 and Y1 are not incident on the central portion of the moving reflector 18, but as shown in FIGS. 1 and 4, are incident on one corner portion of the moving reflector 18 and are reflected at two right angles. The light is reflected from the surface and emitted from the other corner portion, so that the light is emitted in the opposite direction parallel to the incident direction.
  • the linear motion stage 50 is a movable body that can slide in the traveling direction or the reverse direction of the measuring beams X1 and Y1, and the optical path length of the measuring beams X1 and Y1 can be changed by moving.
  • the signal processing device 28 For the movement of the linear motion stage 50, the signal processing device 28 generates a movement control signal based on the interference signals from the light detection means 24, 26, and obtains the movement amount of the movable reflector 18 on the linear motion stage 50.
  • a CCP corner cube prism
  • a right-angle prism mirror that can be retroreflected similarly to the moving reflector 18 is used.
  • the fixed reflector 20 as well as the moving reflector 18, it is not incident on the center of the fixed reflector 20, but is incident on one corner portion of the fixed reflector 20 as can be seen from FIGS. 1 and 4. Then, the light is reflected by two right-angle reflecting surfaces and emitted from the other corner portion, so that the light is emitted in the opposite direction in parallel to the incident direction.
  • the operator When measuring the moving distance (length) of the measuring object with the measuring device 10, the operator attaches the moving reflector 18 to the measuring object, and the measurement lights X1 and Y1 are corners of the moving reflector 18 (for example, CCP).
  • the measuring device 10 is positioned and fixed so as to accurately enter the part.
  • preparation is completed, the measurement object is moved and measurement is started.
  • the laser beam X emitted from the HeNe laser light source 12 is split into two laser beams, the measurement beam X1 and the reference beam X2, as shown in FIG.
  • the measurement light X1 is incident on the movable reflector 18, where it is reflected in the opposite direction and again incident on the light splitting and combining means 16.
  • the reference light X2 is incident on the fixed reflector 20 and reflected there in the opposite direction, and then enters the light splitting / combining means 16 again via the wedge prism 22.
  • the measurement light X1 incident on the light splitting / combining means 16 from the moving reflector 18 and the reference light X2 incident on the light splitting / combining means 16 from the fixed reflector 20 are overlapped by the light splitting / combining means 16 to generate interference light X3.
  • the light enters the first light detection means 24 via a first lens (for example, a cylindrical lens) 44.
  • a first lens for example, a cylindrical lens
  • the laser beam Y emitted from the semiconductor laser light source 14 is split by the beam splitting / combining means 16 into two laser beams, ie, measurement beam Y1 and reference beam Y2.
  • the measurement light Y1 is incident on the moving reflector 18, where it is reflected in the reverse direction and again incident on the light splitting / combining means 16.
  • the reference light Y2 enters the fixed reflector 20 through the wedge prism 22, is reflected in the reverse direction, and then enters the light splitting / combining means 16 again.
  • the measurement light Y1 incident on the light splitting / combining means 16 from the moving reflector 18 and the reference light Y2 incident on the light splitting / combining means 16 from the fixed reflector 20 are overlapped by the light splitting / combining means 16 to generate interference light Y3.
  • the light enters the second light detection means 26 through a second lens (for example, a cylindrical lens) 46.
  • a second lens for example, a cylindrical lens
  • the laser beams X and Y are configured as a two-axis optical interference mechanism having optical axes from the light splitting / synthesizing means 16 to the light detection means 24 and 26 and parallel and close to each other. In the two optical axis system described above, the laser beam X and the laser beam Y travel backward in the same optical path.
  • the measurement beams X1 and Y1 interfere with the reference beams X2 and Y2, respectively, to generate interference beams X3 and Y3, thereby generating interference fringes (interference signals).
  • the intensity of the interference signal is greatest when the optical path difference between the measurement light X1 and the reference light X2 and the optical path difference between the measurement light Y1 and the reference light Y2 are integer multiples of the wavelengths of the laser beams X and Y, respectively. It becomes the smallest when the difference is 1/2 different from the integral multiple of the wavelength.
  • the signal processing device 28 calculates the movement distance (length) of the measurement object from the interference signals of the interference lights X3 and Y3 detected by the first and second light detection means 24 and 26 as follows. .
  • the signal processing device 28 uses the two interference signals X (wavelength 633 nm) and Y (wavelength 1550 nm band) received by the respective light detection means 24 and 26 to apply to the interference signal intensity function expressed by the following equation 2. .
  • Interference signal intensity B ⁇ sin (2 ⁇ 2 ⁇ / ⁇ ⁇ L + ⁇ ) Equation 2
  • B signal intensity amplitude
  • ⁇ wavelength used for measurement (633 nm, 1550 nm band)
  • L Movement distance of measurement object
  • ⁇ Phase shift in measurement
  • L1 which is the optical distance of the moving reflector 18 from the number and phase of the interference signal waves counted by the counter. 633 nm and L2 (wavelength 1550 nm band).
  • the two reference beams X2 and Y2 are passed through the common wedge prism 22 and the path is reversed.
  • the reference light Y ⁇ b> 2 travels from the fixed reflector 20 to the light dividing / combining means 16 side after passing through the wedge prism 22, and the reference light X ⁇ b> 2 passes from the light dividing / combining means 16 through the fixed reflector 20. Then, after passing through the wedge prism 22, the light splitting / combining means 16 proceeds.
  • the optical path lengths from the wedge prism 22 to the two light detecting units 24 and 26 are different.
  • the positional deviation due to refraction at 22 can be matched by two laser beams.
  • the number of parts can be reduced by using the common wedge prism 22 for the reference beams X2 and Y2.
  • the wedge prisms 22 are respectively arranged in the optical path of the reference light X2 and the optical path of the reference light Y2, the deviation of the refraction angle becomes remarkably large, which causes a measurement error.
  • the light detection means 24 and 26 interfere with each other in the light splitting and synthesizing means 16 and are a plurality of photodetectors a, b, which are orthogonal to the optical axes of the interference lights X3 and Y3 and arranged at predetermined intervals in the interference fringe formation direction. It has c and d (for example, four), and is configured to detect signals of a plurality of phases (for example, four phases) whose phases are shifted by a predetermined angle (for example, 90 °).
  • the interference lights X3 and Y3 by the reference lights X2 and Y2 that have passed through the wedge prism 22 are gradually shifted in brightness by the detectors a, b, c, and d, and the four photodetectors a, b, c, and d are sequentially turned on. It is possible to detect a sine wave signal composed of four phases of A + phase, B + phase, A ⁇ phase, and B ⁇ phase with different phases of 90 °.
  • the detected sine wave signal is processed into a rectangular wave.
  • the moving direction of the moving reflector 18 can be grasped by detecting the phase shift direction of the rising of the A phase and the B phase converted into the rectangular wave, and the bulging direction of the A phase and the B phase is detected.
  • the expansion / contraction direction of the optical path length due to atmospheric fluctuations can be grasped.
  • FIG. 7A is a diagram showing a rectangular wave relationship between the A phase and the B phase when the moving reflector 18 moves in the forward direction
  • FIG. 7B shows the moving reflector 18 moving in the opposite direction. It is a figure of the rectangular wave which shows the relationship between the A phase and B phase when doing.
  • the two interference signals X (wavelength 633 nm) and Y (wavelength 1550 nm band) detected by the two light detection means 24 and 26 are detected by the four-part light detection means 24 and 26, respectively, and signal processing is performed.
  • the positive / negative relationship between L1 and L2 can be known.
  • the obtained interference signal can be calculated into distance (length) information and the amount of movement of the moving reflector 18 can be obtained, the moving distance of the measurement object can be measured. That is, by configuring the measuring method of the measuring apparatus using the two-color interferometry as described above, the “problem of realizing the measuring method”, which has been a conventional problem, can be solved.
  • the measurement apparatus 10 using the two-color interferometry configured as described above can improve the measurement accuracy to a height that can be sufficiently used as an actual apparatus by taking the following configuration.
  • the geometric distance D is expressed by the following equation 3 as described above.
  • L1 n1 ⁇ D (measurement optical path length with laser light X or measurement optical path length with laser light Y)
  • L2 n2 ⁇ D (measurement optical path length with laser beam X or measurement optical path length with laser beam Y)
  • n1 f1 (T, P, h, c, ⁇ 1 ) ... the refractive index of the laser beam X in the atmosphere
  • n2 f2 (T, P, h, c, ⁇ 2 ) ...
  • the measured optical path difference (L2 ⁇ Reducing L1) is indispensable for increasing the measurement accuracy that can be used as a measurement apparatus.
  • the HeNe laser light source 12 having a wavelength of 633 nm and the wavelength as two types of laser light sources that emit laser light having a frequency stability higher than 10 ⁇ 8 and different wavelengths are provided.
  • the semiconductor laser light source 14 of 1550 nm band is provided.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the wavelength ⁇ 2 of the other laser light source and the coefficient A when one of the two types of laser light sources is a HeNe laser light source 12 having a wavelength ⁇ 1 of 633 nm. is there.
  • the dotted line is the wavelength position of 633 nm of the HeNe laser light source 12.
  • the coefficient A decreases as the wavelength of the other laser light source moves away from the 633 nm wavelength position of the HeNe laser light source.
  • the coefficient A is about 100 or less when the wavelength is 500 nm or less and when the wavelength is 1000 nm or more (shown up to 2000 nm in FIG. 8). That is, when the HeNe laser light source 12 that has been conventionally known as a laser light source with good frequency stability is used as one laser light source, the other laser light source has a wavelength of 100 nm rather than the wavelength of 633 nm of the HeNe laser light source.
  • the coefficient A can be reduced to 100 or less by using one having a smaller wavelength or having a wavelength greater than 400 nm.
  • the coefficient A can be made 100 or less.
  • the temperature control device 30 is provided in the semiconductor laser light source 14 to increase the frequency stability, the semiconductor laser light source 14 having a high frequency stability can be constructed at a low price.
  • the two laser beams X and Y are configured as a two-optical axis system by utilizing the feature of the two-color method that the laser beam self-compensates. That is, the present invention is greatly characterized in that the measurement accuracy is improved by using a two-optical axis system instead of a single optical axis system (coaxial system) as an interference optical system based on the two-color interference method.
  • FIG. 9 shows a case where the measuring device 100 of one optical axis system is configured using a dichroic mirror that has been conventionally used in the two-color interference method.
  • the laser beams X and Y emitted from the two laser light sources 12 and 14 are aligned on the same optical axis by the first dichroic mirror 56 and then enter the light splitting and combining unit 16.
  • the laser beam X + Y incident on the light splitting and synthesizing unit 16 is split by the light splitting and synthesizing unit 16 into measurement light X1 + Y1 to the moving reflector 18 and reference light X2 + Y2 on the fixed reflector 20.
  • the measurement light X1 + Y1 incident on the central portion of the moving reflector 18 is reflected in the direction opposite to the incident direction and enters the light splitting / combining means 16, and the reference light X2 + Y2 incident on the central portion of the fixed reflector 20 is The light is reflected in the direction opposite to the incident direction and enters the light splitting / combining means 16.
  • the measurement light X1 + Y1 and the reference light X2 + Y2 are overlapped by the light splitting / combining means 16 to form the interference light X3 + Y3.
  • the interference light X3 + Y3 is separated into the laser light X and the laser light Y by the second dichroic mirror 58 and received by the first detector 52 and the second detector 54, and then received by the signal processing device 28. Is output.
  • the measurement apparatus 100 using the two-color interferometry is configured with the configuration of FIG. 9, it is extremely difficult to align the two laser beams X and Y on the same axis by the dichroic mirror 56, and the alignment error is an error in the measurement optical path length. become. Furthermore, since the optical axis changes when the dichroic mirror 56 is deformed or displaced due to temperature drift or the like, it is difficult to align the laser beam that passes through the dichroic mirror 56 and the laser beam that is reflected coaxially.
  • the laser beam X and the laser beam Y are respectively converted into the respective optical axes by using the two-axis system from the light splitting / synthesizing means 16 to the light detection means 24, 26.
  • the “problem of optical axis alignment” that has been a conventional problem can be solved.
  • the same optical environment can be passed by making the two optical axis systems close to each other, and the two-color interferometry can be self-compensated by the optical axis system.
  • the effects of atmospheric fluctuations can be minimized.
  • the laser beam X and the laser beam Y traveling between the light splitting / combining means 16 and the movable reflector 18 and the fixed reflector 20 are on the same optical path. Since it reverses, it appears as a relative evaluation of an outward path and a return path, and it can also be made to cancel each other, and a measurement precision improves.
  • the light can be returned using the two left and right sides of the corner portion of the CCP. Can be obtained.
  • the above problem as in the case of one optical axis system can be solved, and high measurement accuracy can be obtained.
  • An example of the distance measurement simulation is a case where a spatial distance of 1 m is measured by the following two measuring methods under an air (air) condition of an air temperature of 20 ⁇ 0.5 ° C. and an atmospheric pressure of 101250 ⁇ 50 Pa.
  • One measurement method is a case where a measurement device is constructed by a one-color interference method using a HeNe laser light source (frequency stability 10 ⁇ 9 ) having excellent frequency stability, and the measurement accuracy is 6.106 ⁇ 10 ⁇ 7 . became.
  • the light splitting and synthesizing means 16 shown in FIG. 1 may have a form as shown in FIG.
  • the light splitting / combining means 16 shown in FIG. 1 includes, as components, a light transmitting material 80L that transmits laser light, a light transmitting material 80R, and a light splitting material 80M that splits the laser light, as shown in FIG.
  • Light splitting and synthesis means may be used. 10 refracts the laser beam X (reference beam X2) and the laser beam Y (reference beam Y2) of the wedge prism 22 inserted between the fixed reflector 20 and the beam splitter / combiner 16.
  • the thickness of the light transmitting material 80R in the direction of the moving reflector 18 is, for example, half the thickness (t) of the wedge prism 22 (t / 2). Only thicker).
  • This method is effective in correcting not only the wedge prism 22 but also errors due to the refractive index change due to the temperature of the laser beam path other than air, such as glass material, and the difference in the temperature coefficient of the refractive index between the laser beam X and the laser beam Y. is there.
  • the change in the refractive index of the reference beams X2 and Y2 caused by the temperature change of the wedge prism 22 can be offset by the change in the refractive index of the measurement beam caused by the temperature change of the light splitting / combining means 16. Therefore, it is possible to prevent occurrence of measurement errors due to temperature changes.
  • the light transmitting material 80R is not made thicker or larger toward the fixed reflector 20, but the facing surfaces of the light transmitting material 80L and the light transmitting material 80R are slid or the light transmitting material 80L is made smaller.
  • a method of adjusting the length of the laser material passing through the transmission material toward the moving reflector 18 and the length of the laser beam toward the fixed reflector 20 may be adjusted.
  • a light transmitting material substantially the same as the light transmitting material used for the wedge prism 22 is separately installed and corrected. In this case, the light splitting and synthesizing means 16 and the light transmitting material are used. Multiple reflection occurs between the two and an error, which is not preferable.
  • a transmissive optical member having the same thermal expansion coefficient as that of the wedge prism 22 (same material: quartz, borosilicate glass (BK7)), and an optical member having a thickness that is half the thickness of the wedge prism 22,
  • this canceling method there is a problem that stray light and scattered light are generated in the measurement light by the optical member, resulting in a large measurement error.
  • this mode corresponds to the thickness of the light splitting / combining means 16, no stray light or scattered light is generated in the measurement light, and the refractive index change of the reference light caused by the temperature change of the wedge prism 22 Can be reasonably offset.
  • the two-color interference measuring apparatus 10 shown in FIG. 1 includes intensity distribution molding elements (first intensity distribution molding element and second intensity distribution molding element) 83 and 83 as shown in FIG. A configuration is preferred. This is because the laser beams X and Y are output from the optical fibers 32 and 36 and the collimator lenses 34 and 38, and then the intensity distribution becomes a Gaussian distribution in a cross section perpendicular to the laser beam traveling direction (see FIG. 12). Since the intensity of the interference fringes of the interference lights X3 and Y3 deviates from an ideal sine wave in the means 24 and 26, an error occurs.
  • intensity distribution molding elements first intensity distribution molding element and second intensity distribution molding element
  • the intensity distribution shaping element 83 provides a top flat intensity distribution in the cross section perpendicular to the laser beam traveling direction, so that the intensity of the interference fringes of the interference lights X3 and Y3 is almost ideal in the light detection means 24 and 26. It becomes a sine wave and the error can be reduced (see FIG. 13).
  • the position where the light detection means 24 and 26 are placed must be adjusted by the Gaussian peak position.
  • the intensity distribution molding element 83 is used to obtain a top flat intensity distribution. Since there is a margin in the positions where 24 and 26 are placed, alignment becomes extremely easy.
  • the alignment of the laser beam X and the laser beam Y between the light splitting / combining means 16 and the moving reflector 18 and between the light splitting / combining means 16 and the fixed reflector 20 is made visible by the laser light visualization device.
  • the intensity distribution molding element 83 be removable so that the center of the laser beam can be observed with a Gaussian distribution that is easy to distinguish.
  • FIG. 14 shows an embodiment in which a measuring apparatus 200 that measures an angle (yawing, pitching) using a two-color interferometry is configured.
  • the two-color interference measuring apparatus 200 for measuring an angle is provided with at least two systems of two-axis optical interference mechanisms shown in FIG. 1, and moving reflectors provided for each system are arranged in a vertical direction and / or a horizontal direction.
  • the tilt angle of the measurement object is calculated by the angle calculation device from the movement amount of the moving reflector calculated by the signal processing device.
  • the 1st system adds A after a number
  • the 2nd system distinguishes by adding B after a number. .
  • two moving reflectors 18A and 18B are arranged in parallel with a linear movement stage 50 of the moving device 48, and a vertical inclination of a measurement object (not shown). In this example, the angle is measured.
  • the laser light X emitted from the HeNe laser light source 12 travels through the optical fiber 32 and the first collimator lens 34, and the first light splitting / combining means 60 and the second system A Divided into system B.
  • the laser light Y emitted from the semiconductor laser light source 14 travels through the optical fiber 36 and the second collimator lens 38 and is divided into the first system A and the second system B by the second light splitting / combining means 62. Is done.
  • first line A of the laser beam X and the laser beam X A a second system B say laser beam X B.
  • a second system B say laser beam Y B.
  • the first system A laser beams X A and Y A and the second system B laser beams X B and Y B form two parallel optical systems.
  • the laser beam X A in the first system A after being reflected by the mirror 64, and enters the light splitting combining unit 16A, the light splitting combining unit 16A is a two laser beams in the measuring beam X A 1 and the reference light X A 2 It is divided into.
  • the measurement light X A 1 is incident on the moving reflector 18A, where it is reflected in the reverse direction and again incident on the light splitting / combining means 16A.
  • Reference beam X A 2 is incident on the fixed reflector 20A, where after being reflected in the opposite direction and is incident again on the light splitting combining unit 16A through the wedge prism 22A.
  • the measurement light X A 1 incident on the light splitting / combining unit 16A from the moving reflector 18A and the reference light X A 2 incident on the light splitting / combining unit 16A from the fixed reflector 20A are overlapped by the light splitting / combining unit 16A to be interference light.
  • the light After generating X A 3, the light enters the first light detection unit 24A via a lens (for example, a cylindrical lens) 44A.
  • the laser beam Y A in the first system A after being reflected by the mirror 66, and enters the light splitting combining unit 16A, a two laser beams by the light splitting combining unit 16A measuring beam Y A 1 and the reference light It is divided into Y A 2.
  • the measurement light Y A 1 is incident on the moving reflector 18A, where it is reflected in the reverse direction and again incident on the light splitting / combining means 16A.
  • the reference light Y A 2 enters the fixed reflector 20A via the wedge prism 22A, is reflected in the reverse direction, and then enters the light splitting / combining means 16A again.
  • the measurement light Y A 1 that has entered the light splitting / combining means 16A from the moving reflector 18A and the reference light Y A 2 that has entered the light splitting / combining means 16A from the fixed reflector 20A are overlapped by the light splitting / combining means 16A and interfere with each other.
  • the light After generating Y A 3, the light enters the second light detection means 26 ⁇ / b> A via a lens (for example, a cylindrical lens) 46 ⁇ / b> A.
  • the two laser beams X A and Y A are configured as an optical interference mechanism of a two-optical axis system that has optical axes from the light splitting / synthesizing unit 16A to the two light detection units 24A and 26A and is parallel and close to each other.
  • the laser beam X A and the laser beam Y A form opposite optical paths.
  • the signal processing device 28A of the first system A then moves the measurement object from the interference fringes of the interference lights X A 3 and Y A 3 detected by the first and second light detection means 24A and 26A (long) ) Is calculated.
  • the calculation method is the same as that of the measurement apparatus 10 for measuring the movement distance (length) in FIG.
  • Laser beam X B in the second system is divided between the measurement light X B 1 is a two laser beams by an optical system splitting combining unit 16B to the reference light X B 2.
  • the measurement light X B 1 is incident on the moving reflector 18B, where it is reflected in the opposite direction and again incident on the light splitting / combining means 16B.
  • the reference light X B 2 is incident on the fixed reflector 20B, where it is reflected in the reverse direction, and then enters the light splitting / combining means 16B again via the wedge prism 22B.
  • the measurement light X B 1 that has entered the light splitting / combining means 16B from the moving reflector 18B and the reference light X B 2 that has entered the light splitting / combining means 16B from the fixed reflector 20B are overlapped by the light splitting / combining means 16B and interfere with each other.
  • the light After generating X B 3, the light enters the first light detection unit 24B via a lens (for example, a cylindrical lens) 44B.
  • the laser beam Y B in the two systems is via two mirrors 68, 70 and the measuring light Y B 1 is a two laser beams by the light splitting combining unit 16B split into reference light Y B 2.
  • the measurement light Y B 1 is incident on the moving reflector 18B, where it is reflected in the reverse direction and again incident on the light splitting / combining means 16B.
  • the reference light Y B 2 enters the fixed reflector 20B through the wedge prism 22B, is reflected in the reverse direction, and then enters the light splitting / combining means 16B again.
  • the measurement light Y B 1 incident on the light splitting / combining means 16B from the moving reflector 18B and the reference light Y B 2 incident on the light splitting / combining means 16B from the fixed reflector 20B are overlapped by the light splitting / combining means 16B to be interference light.
  • the light After generating Y B 3, the light enters the second light detection means 26B through a lens (for example, a cylindrical lens) 46B.
  • the two laser beams X B and Y B are configured as a light interference mechanism of a two-optical axis system that has optical axes from the light splitting / synthesizing unit 16B to the light detecting units 24B and 26B and is parallel and close to each other.
  • the laser beam X B and the laser beam Y B forming an optical path in the opposite direction.
  • the signal processing device 28B of the second system B moves the movement distance (long) of the measurement object from the interference fringes of the interference lights X B 3 and Y B 3 detected by the first and second light detection means 24B and 26B. ) Is calculated.
  • the calculation method is the same as that of the measurement apparatus 10 for measuring the movement distance (length) in FIG.
  • the angle calculation device 72 moves the moving reflector 18A obtained by the signal processing device 28A of the first system A and the movement of the moving reflector 18B obtained by the signal processing device 28B of the second system B. From the quantity, the tilt angle of the measurement object is calculated using the following Equation 3.
  • FIG. 16 shows a case where the angle ⁇ is inclined between the surfaces of the movable reflectors 18A and 18B attached to the measurement object and the vertical axis, and D A, D B and D M are substituted into Equation 4.
  • the tilt angle ⁇ of the measurement object can be calculated.
  • ⁇ tan ⁇ 1 ⁇ [(D A ⁇ D B ) / D M ].
  • ⁇ inclination angle
  • D A movement amount of moving reflector 18A of first system A
  • D B movement amount of moving reflector 18B of second system B
  • D M first system forming parallel optical axes
  • the distance between the central axes of the laser light of the first system A and the laser light of the second system B (the distance between the moving reflector A and the moving reflector B) ) to increase the angular resolution.
  • the distance between the central axes of the two laser beams is fixed from the first system light splitting / combining means 16A under the atmospheric (air) conditions of an air temperature of 20 ⁇ 0.5 ° C. and an atmospheric pressure of 101250 ⁇ 50 Pa.
  • the difference between the spatial distance to the reflector 20A and the spatial distance to the movable reflector 18A is 1 m, the spatial distance from the second-system light splitting and combining means 16B to the fixed reflector 20B, and the space between the movable reflector 18B
  • the angle measuring device had a distance accuracy of ⁇ 6.106 ⁇ 10 ⁇ 7 and an angle accuracy of ⁇ 2.33 ⁇ 10 ⁇ 3 °.
  • the distance accuracy is ⁇ 4.332 ⁇ 10 ⁇ 8
  • All of “the problem of wavelength selectivity and high cost”, “the problem of optical axis alignment”, and “the problem of implementation of the measurement method” can be solved.
  • the influence of atmospheric fluctuations (temperature, atmospheric pressure, humidity, etc.) can be compensated, so that high-precision measurement is possible even in places where there are large environmental disturbances such as outdoors.
  • the distance, angle, and straightness can be measured.
  • Two-color interference measuring apparatus 12 ... HeNe laser light source, 14 ... Semiconductor laser light source, 16, 16A, 16B ... Light splitting and synthesizing means, 18, 18A, 18B ... Moving reflector, 20, 20A, 20B ... Fixed Reflector 22, 22A, 22B ... wedge prism, 24, 24A, 24B ... first light detection means, 26, 26A, 26B ... second light detection means, 28, 28A, 28B ... signal processing device, 30 ... Temperature control device, 32 ... optical fiber, 34 ... first collimator lens, 36 ... optical fiber, 38 ... second collimator lens, 40, 42 ...

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Abstract

　２色干渉法を用いて高精度に距離や角度を計測することができ、しかも価格的にも安価であるので、実装置として好適な２色干渉計測装置を提供する。波長の異なる２種類のレーザ光源（１２）、（１４）と、２つのレーザ光を、固定反射体（２０）及び測定対象物が取り付けられた移動反射体（１８）の各々へ分割して参照光と測定光を生成すると共に、移動反射体（１８）で反射された測定光と固定反射体で反射された参照光とを重ね合わせて干渉光を生成する光分割合成手段（１６）と、２つのレーザ光の波面を光軸に対して傾けるウェッジプリズム（２２）と、４分割の光検出手段（２４）、（２６）と、光検出手段（２４）、（２６）で検出された２つのレーザ光の干渉信号から移動反射体（１８）の移動量、移動方向及び揺らぎ方向を算出して測定対象物の距離を演算する信号処理装置（２８）と、を備え、光分割合成手段（１６）で分割された２つのレーザ光は２つの光検出手段まで平行で近接したそれぞれの光軸を有する２光軸系の光干渉機構として構成されている。

Description

２色干渉計測装置
　本発明は、２色干渉計測装置に係り、特に２つの異なる波長をもつレーザ光源を用いた２色干渉法を用いて距離（長さ）及び角度を計測する２色干渉計測装置に関する。
　光干渉法を用いて物体の距離（長さ）を計測する計測方法としてＨｅＮｅレーザ等の単一波長を用いたホモダイン式の干渉計測装置がある。
　しかし、ホモダイン式の干渉計測装置は、単一の光源から出たレーザ光を測定光と参照光とに分割し、測定対象物に取り付けられた移動反射体及び参照ミラーで反射された測定光及び参照光を重ね合わせて干渉させるため、大気中での距離計測において、気温、気圧、湿度等による大気の揺らぎの変動が屈折率の変化をもたらすため、計測誤差となる。ゼーマンレーザー等の高精度の光源にて環境センサーを用いても、大気揺らぎには分布があるため、正確に補正できないという問題があった。
　特許文献１には、２波長のレーザ光を使用した２色干渉法の原理を用いて、大気の揺らぎを自己補償するように構成された２波長の位相制御光学装置が開示されている。
特開２００９－１８６３６６号公報
　しかしながら、特許文献１のように、２色干渉法を用いて大気揺らぎを自己補償でき大気揺らぎの影響（以下「大気揺らぎの問題」という）を受け難くできるとしても、２色干渉法を用いて距離（長さ）や角度（ヨーイング、ピッチング）を計測する計測装置を具現化するには以下の問題点（課題）を解決する必要がある。
　（１）２色干渉法は、大気揺らぎを自己補償できる反面、２つの測定光の測定光路長誤差が大きくなり易いという問題がある。即ち、計測したい距離Ｄは、２つのレーザの光学的距離Ｌ２及びＬ１と、空気や温度や気圧に殆ど依存しない定数であるＡとにより、Ｄ＝Ｌ２－Ａ（Ｌ２－Ｌ１）で表される。これにより、２色干渉法では（Ｌ２－Ｌ１）測定の誤差がＡ倍となり、この係数Ａが数十～数百となる。したがって、測定光路長（Ｌ２－Ｌ１）誤差を如何に小さくするかが２色干渉法を用いた計測装置を具現化する上で重要となる。この対応策の１つとして、２色法のレーザ光源として、周波数安定度が安定した２つのレーザ光源が必要になる。これまでは２つのレーザ光源として、周波数安定度の高い光コムを第１の光源とし、第１の光源の２倍の周波数を生成する第二高調波発生器（ＳＨＧ）を第２の光源とする組み合わせ、又はＹＡＧレーザを第１の光源とし、ＳＨＧを第２の光源とする組み合わせが用いられてきた。しかし、これらの組み合わせは、装置が高価であるという問題や、波長（周波数）の選択性が低く、このために、特に光コムとＳＨＧとの組み合わせでは係数Ａが大きいという問題がある（以下「周波数安定度の良い２種類のレーザ光源の問題」という）。
　（２）また、従来の２色干渉法ではダイクロイックミラーを使用して、２つの光源から出た２つのレーザ光を同軸で伝播させることで同一の光学系を経由し、これにより測定誤差が小さくなるように試みている。しかし、ダイクロイックミラーで２つの測定光を同軸上にアライメントすることは極めて難しく、アライメント誤差が光路長測長の誤差になるという問題がある。更にはダイクロイックミラーが温度ドリフト等により変形・変位すると光軸が変わってしまうので、ダイクロイックミラーを透過するレーザと、反射するレーザとを同軸上にアライメントすることは難しいという問題がある（以下、「光軸アライメントの問題」という）。
　（３）また、距離や角度を計測する計測装置を構成するには、測定対象物に取り付けられる移動反射体の移動量を精度良く測定することが必要になる。しかし、単純な位相計測では空気揺らぎにより、数周期分位相がずれてしまい、数周期のずれを読み取ることが実質的に困難である。更には、単純な位相計測では、干渉縞の山や谷の付近では移動反射体の移動方向や、大気の揺らぎによる光路長の伸縮方向が分からない。これにより、Ｌ２とＬ１が正確に分からないので、Ｄ＝Ｌ２－Ａ（Ｌ２－Ｌ１）の式で大きな誤差を生じる。したがって、距離や角度を計測する計測装置を構成するには、移動反射体の移動量を単に正確に計測できる以外に、移動反射体の移動方向や大気の揺らぎによる光路長の伸縮をどのように具体化するかが重要になる（以下「計測方法の具体化の問題」という）。
　以上述べた背景から、従来、２色干渉法は屈折率の補正のみに使用されており、２色干渉法を用いて距離（長さ）や角度を計測するための計測装置は未だに商品化されていないのが実状である。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、２色干渉法を用いて高精度に距離や角度を計測することができ、しかも価格的にも安価であるので、実装置として好適な２色干渉計測装置を提供することを目的とする。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記目的を達成するために、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光を、第１の参照光及び第１の測定光に分割し、固定反射体で反射された前記第１の参照光と測定対象物に取り付けられた移動反射体で反射された前記第１の測定光とを第１の干渉位置で合成して第１の干渉光を生成し、かつ前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のレーザ光を、第２の参照光及び第２の測定光に分割し、前記第２の参照光を前記第１の参照光の光路を逆進させるとともに、前記第２の測定光を前記第１の測定光の光路を逆進させ、前記固定反射体で反射された前記第２の参照光と前記移動反射体で反射された前記第２の測定光とを第２の干渉位置で合成して第２の干渉光を生成する光分割合成手段と、前記第１の参照光と前記第２の参照光の光路中に配設され、又は前記第１の測定光と前記第２の測定光の光路中に配設されたウェッジプリズムと、前記第１の干渉光を受光して第１の干渉信号を検出する第１の光検出手段と、前記第２の干渉光を受光して第２の干渉信号を検出する第２の光検出手段と、を備えることを特徴とする。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２の干渉信号から前記移動反射体の移動量、移動方向及び大気揺らぎによる光路長の伸縮方向を算出して前記測定対象物の距離を演算する信号処理装置を備えたことが好ましい。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２の光検出手段は、前記第１及び第２の干渉光の光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタを有し、所定角度ずつ位相のずれた複数相からなる干渉信号を検出することが好ましい。
　以下述べる「近接」とは、２つのレーザ光がほぼ同一の大気環境を通過可能な距離を意味する。
　本発明の２色干渉計測装置によれば、２色干渉法の自己補償によって大気の揺らぎの影響を受け難くできるだけでなく、周波数安定度が１０－８より高精度で波長の異なるレーザ光を出射する２種類のレーザ光源（第１のレーザ光源、第２のレーザ光源）を用いて２光軸系の光干渉機構として構成するようにした。これにより、レーザ光源に起因する計測誤差及び光軸アライメントに起因する計測誤差を小さくできる。また、２つのレーザ光をウェッジプリズムに通過させてわずかに波面を傾け（例えば波面を１波長分以上傾け）、光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタを有する光検出手段（第１の光検出手段、第２の光検出手段）で検出するようにしたので、移動反射体の移動方向や揺らぎ方向を把握できる。これにより、２色干渉法を用いた計測装置の計測方法を具体的に構築することができる。
　したがって、本発明の２色干渉計測装置は、従来の問題点であった「大気揺らぎの問題」、「周波数安定度の良い２種類のレーザ光源の問題」、「光軸アライメントの問題」、及び「計測方法の具体化の問題」を解決することができる。これにより、２色干渉法を用いて高精度に距離や角度を計測することができ、しかも価格的にも安価であるので、実装置として好適な２色干渉計測装置を提供することができる。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記２光軸系の光干渉機構が少なくとも２系統の平行な光軸を形成するように設けられた光学系と、前記光学系のそれぞれの系統ごとに設けられ、垂直方向及び／又は水平方向に配列された前記移動反射体と、前記信号処理装置で計算されたそれぞれの系統ごとの前記移動反射体の移動量から前記測定対象物の傾き角度を演算する角度演算装置と、を備えた態様を取ることができる。
　これにより、測定対象物の傾き角度（ヨーイング、ピッチング）を高精度に計測する２色干渉計測装置を低価格で構築することができる。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記２つのレーザ光源は、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源と波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源であることが好ましい。
　波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源と波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源との組み合わせは下記ａ）～ｆ）の理由で好適である。ａ）波長が離れているためＡ係数を小さくでき、周波数安定度が１０－８より高精度でかつ容易に波長を校正できる（５００ｎｍ未満の波長又は１６８４ｎｍを超える波長のレーザは校正が困難である。）。ｂ）波長６３３ｎｍと１５５０ｎｍ帯はそれぞれ、シリコンとインジウムガリウムヒ素の光検出器に感度を持つが、その逆には感度を持たないため、波長６３３ｎｍ用の光検出器が波長１５５０ｎｍ帯の光を検出することもなく、また、波長１５５０ｎｍ帯用の光検出器が波長６３３ｎｍの光を検出することもないため、光検出器のクロストークによる誤差を回避できる。ｃ）１５５０ｎｍ帯の波長はアイセーフであるため、目に入ったときの危険が少ない。ｄ）安価に過干渉距離が長い光源を用意できる（例えば１０ｍ以上）。ｅ）１５５０ｎｍ帯は光学部品が充実しているため干渉計を安価に組むことができる。ｆ）１５５０ｎｍ帯の波長は〔式１〕のコーシーの分散公式を見ると分かるように、波長変動による屈折率変化や屈折率の揺らぎに対してロバストであり、一方の波長による計測を揺らぎに対してロバストにできる。
　〔式１〕
　ｎ－１＝ｋ１（１＋ｋ２／λ２）…式１
　ここで、ｎ：屈折率
　ｋ１：定数
　ｋ２：定数
　λ：波長
　本発明の２色干渉計測装置は、前記半導体レーザ光源にはレーザ光の温度を制御する温度制御装置が設けられることが好ましい。これにより、周波数安定度の良い半導体レーザ光源を安価に構成することができる。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記ウェッジプリズムに対して同一の光路で前記第１の参照光と前記第２の参照光とが逆進し、前記ウェッジプリズムから前記第１の干渉位置までの前記第１の参照光の光路長よりも、前記ウェッジプリズムから前記第２の干渉位置までの前記第２の参照光の光路長が長いことが好ましい。
　このように、２つの参照光を共通のウェッジプリズムに逆向きの光路で逆進させることによって、２つの参照光についてウェッジプリズムから第１及び第２の光検出手段までの光路長が異なるようにできるので、ウェッジプリズムでの屈折による位置ずれを２つの参照光で合わせることができる。これにより計測精度を向上できる。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２の測定光は、前記移動反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成され、前記第１及び第２の参照光は、前記固定反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成されていることが好ましい。
　１光軸系のように移動反射体（例えばＣＣＰ）や固定反射体（例えばＣＣＰ）の中央部にレーザ光を入射させる場合には、中央部からの僅かなずれによって光検出手段に対して模様（例えば３本のスジ）ができてしまい、理想的な検出信号（正弦波）が得られ難い。これが計測誤差の要因になる。
　しかし、本発明のように、２光軸系の光干渉機構とすることで、移動反射体（例えばＣＣＰ）や固定反射体（例えばＣＣＰ）の中央部にレーザ光を入射させる必要がないので、理想的な検出信号（正弦波）を得ることができる。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記光分割合成手段は、移動反射体側と固定反射体側で光路長が非対称に構成され、前記ウェッジプリズム及びその他空気以外のレーザ光路の２波長の屈折率の温度係数の違いによる温度変化による誤差を補正することが好ましい。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記光分割合成手段は、前記ウェッジプリズムと熱膨張係数が同一の材料で構成され、前記光分割合成手段のうち前記第１及び第２の測定光が通過する部分の光軸方向の厚さが、前記第１及び第２の参照光が通過する部分の光軸方向の厚さよりも、前記ウェッジプリズムの光軸方向の厚さの半分だけ厚くされていることが好ましい。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記第１のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第１の強度分布成型素子が配置され、前記第１のレーザ光のガウシアンビームが、前記第１の強度分布成型素子によってフラットトップの出力ビームに変換され、前記第２のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第２の強度分布成型素子が配置され、前記第２のレーザ光のガウシアンビームが、前記第２の強度分布成型素子によってフラットトップの出力ビームに変換されることが好ましい。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記２つのレーザ光のレーザ進行方向の垂直断面のレーザ強度分布を、トップフラット形状のレーザ強度分布に変換する強度分布成型素子を備えたことが好ましい。
　本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２のレーザ光が逆向きの共通光路を通るレーザ光を可視化するレーザ光可視化手段を備え、前記レーザ光可視化手段の一方の面からレーザ光を観察することにより、第１及び第２のレーザ光のアライメントの位置ずれを確認することが好ましい。
　本発明の２色干渉法を用いた計測装置によれば、高精度に距離や角度を計測することができると共に価格的にも安価であり、実装置として十分な性能を有する計測装置を提供できる。
距離を計測する２色干渉計測装置の全体構成図 図１に示した２色干渉計測装置のＨｅＮｅレーザ光源から出射されたレーザ光の光路を示した説明図 図１に示した２色干渉計測装置の半導体レーザ光源から出射されたレーザ光の光路を示した説明図 移動反射体の移動装置の一例を示す説明図 干渉信号強度と距離との関係を示す図 ウェッジプリズムと４分割の光検出手段を用いて距離計測原理を説明する説明図 移動反射体の移動方向を説明する説明図 一方のレーザ光源として波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源を使用した場合における他方のレーザ光源の波長と係数Ａとの関係図 ダイクロックミラーを用いて１光軸系の計測装置を構成した場合の全体図 光分割合成手段の別実施例の構成図 距離を計測する２色干渉計測装置の全体構成図の別例図 レーザの強度分布がガウシアン形状での光検出を説明する説明図 レーザの強度分布がトップフラット形状での光検出を説明する説明図 角度を計測する２色干渉計測装置の全体構成図 角度計測の演算方法を説明する説明図
　以下、添付図面に従って本発明に係る２色干渉計測装置の好ましい実施の形態について詳説する。
　［距離（長さ）を計測する２色干渉計測装置］
　図１は、２色干渉法を用いて距離（長さ）を計測する２色干渉計測装置１０の構成図である。
　図１に示すように、２色干渉計測装置１０は、主として、波長の異なる２種類のレーザ光源（第１のレーザ光源、第２のレーザ光源）１２、１４と、光分割合成手段１６と、測定対象物（図示せず）に取り付けられ測定光（第１の測定光、第２の測定光）Ｘ１、Ｙ１を反射する移動反射体１８と、参照光（第１の参照光、第２の参照光）Ｘ２、Ｙ２を反射する固定反射体２０と、参照光Ｘ２、Ｙ２が同一光路において互いに逆進して通過するウェッジプリズム２２と、レーザ光源１２、１４からの２つのレーザ光（第１の干渉光Ｘ３、第２の干渉光Ｙ３）を検出する第１及び第２の光検出手段２４、２６と、信号処理装置２８と、で構成される。
　レーザ光源１２、１４は、互いに波長が異なるレーザ光（第１のレーザ光、第２のレーザ光）を出射する装置であり、レーザ光源１２、１４は周波数安定度が１０－８より高精度であることが好ましい。また、レーザ光源１２、１４は、波長（周波数）の選択性が高く、波長差を４００ｎｍ以上とれることが好ましい。
　このような条件を満足するレーザ光源１２、１４としては、例えば波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２と、波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源１４との組み合わせを好適に使用することができる。この場合、半導体レーザ光源１４には、半導体レーザの温度を制御して一定温度に維持する温度制御装置３０を設けることが上記の周波数安定度を得る上で好ましい。これにより、２色干渉法を用いた計測装置の２種類のレーザ光源１２、１４を、周波数安定性が高く且つ低価格で構成することができる。
　以下の説明ではＨｅＮｅレーザ光源１２と半導体レーザ光源１４との例で説明すると共に、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されるレーザ光をレーザ光Ｘと称し、半導体レーザ光源１４から出射されるレーザ光をレーザ光Ｙと称する。
　図１に示すように、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘ（実線）は、光ファイバ３２を伝播して第１のコリメータレンズ３４に入射し、第１のコリメータレンズ３４によって平行光に変換されて光分割合成手段１６に入射する。一方、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙ（点線）は、光ファイバ３６を伝播して第２のコリメータレンズ３８に入射し、第２のコリメータレンズ３８によって平行光に変換された後、２つのミラー４０、４２で反射して光分割合成手段１６に入射する。
　光ファイバ３２、３６は、光の伝送路であり、機器間で光を送受する機能を備える。光ファイバ３２、３６は透過率の高い石英ガラス又はプラスチック製であり、外側よりも芯の屈折率を高くすることで光を芯にだけ伝搬させることができる。
　光分割合成手段１６は、レーザ光Ｘ、Ｙを測定光Ｘ１、Ｙ１と参照光Ｘ２、Ｙ２とに分割する光学素子であり、ビームスプリッタ、ハーフミラー、又はそれと同等の機能を有する手段を好適に使用することができる。
　なお、ミラー４０、４２は、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘと、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙとを、平行で近接した２光軸系の光干渉機構を形成し、光軸方向を調整するためのものである。したがって、ＨｅＮｅレーザ光源１２と半導体レーザ光源１４との配置から、ミラー４０、４２を用いずに平行で近接した２光軸系の光干渉機構を形成できる場合には使用しなくてもよい。
　光分割合成手段１６に入射したレーザ光Ｘは、移動反射体１８へ進む測定光Ｘ１と、固定反射体２０へ進む参照光Ｘ２とに分割される。そして、移動反射体１８で反射された測定光Ｘ１と固定反射体２０で反射された参照光Ｘ２とが再び光分割合成手段１６に入射して重ね合わされ（合成され）干渉光Ｘ３として生成される。
　同様に、光分割合成手段１６に入射したレーザ光Ｙは、移動反射体１８へ進む測定光Ｙ１と、固定反射体２０へ進む参照光Ｙ２とに分割される。そして、移動反射体１８で反射された測定光Ｙ１と固定反射体２０で反射された参照光Ｙ２とが再び光分割合成手段に入射し重ね合わされて干渉光Ｙ３として生成される。
　図１から分かるように、レーザ光Ｘとレーザ光Ｙとは、平行で近接する２光軸系の光干渉機構を形成すると共に、光分割合成手段１６と移動反射体１８との間を進む測定光Ｘ１と測定光Ｙ１とは同一の光路で互いに逆進する。また同様に、光分割合成手段１６と固定反射体２０との間を進む参照光Ｘ２と参照光Ｙ２とは同一の光路で互いに逆進する。レーザ光Ｘとレーザ光Ｙを近接させる理由は、同じ大気環境（温度、気圧、湿度等）を通過した方が大気揺らぎの位置変化分布の影響を小さくするからである。
　固定反射体２０の出射側には、ウェッジプリズム２２が配設される。これにより、ウェッジプリズム２２を通過する参照光Ｘ２、Ｙ２の波面が通過前の光軸に対してわずかに傾けられる。なお、ウェッジプリズム２２は固定反射体２０の出射側に限定されず、固定反射体２０又は移動反射体１８の入射側又は出射側の光路中の何れかに配設されればよい。
　図２は、図１に示した２色干渉計測装置１０において、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘの光路を実線の矢印で示した説明図である。また、図３は、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙの光路を破線の矢印で示した説明図である。なお、図２、図３においては、図面の煩雑さを避けるため、光ファイバ３２、３６、コリメータレンズ３４、３８、及びミラー４０、４２の図示を省略している。
　図２、図３の如く、ＨｅＮｅレーザ光源１２の参照光Ｘ２と半導体レーザ光源１４の参照光Ｙ２とは、ウェッジプリズム２２を同一の光路で逆進している。
　そして、ウェッジプリズム２２の参照光Ｘ２の出射端２２ａから、光分割合成手段１６の干渉位置（測定光Ｘ１と参照光Ｘ２との干渉位置：第１の干渉位置）１６ａまでの参照光Ｘ２の光路長が光路長Ｑに設定されている。また、ウェッジプリズム２２の参照光Ｙ２の出射端２２ｂから、光分割合成手段１６の干渉位置（測定光Ｙ１と参照光Ｙ２との干渉位置：第１の干渉位置）１６ｂまでの参照光Ｙ２の光路長がＲ（Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）に設定されている。つまり、光路長Ｑよりも光路長Ｒが長く設定されている。なお、Ｒ１は、出射端２２ｂから固定反射体２０までの光路長であり、Ｒ２は固定反射体２０内での光路長であり、Ｒ３は、固定反射体２０から干渉位置１６ｂまでの光路長である。
　ウェッジプリズム２２を通過した参照光Ｘ２の屈折角は、周波数の違いから、ウェッジプリズム２２を通過した参照光Ｙ２の屈折角度よりも大きい。このため、ウェッジプリズム２２から干渉位置１６ｂまでの参照光Ｙ２の光路長Ｒを、ウェッジプリズム２２から干渉位置１６ａまでの参照光Ｘ２の光路長Ｑよりも長くする。
　好ましくは、干渉位置１６ａに対する参照光Ｘ２の位置ずれと、干渉位置１６ｂでの参照光Ｙ２の位置ずれとが、同程度となるように、ウェッジプリズム２２の位置を調整して参照光Ｙ２の光路長Ｒを長くする。これにより、第１及び第２の光検出手段２４、２６のアライメントが容易になる。
　また、２色干渉計測装置１０は、１つのウェッジプリズム２２に対し、同一の光路で参照光Ｘ２と参照光Ｙ２とを逆進させた構成なので、１つのウェッジプリズム２２によって、光路長Ｑ、Ｒの調整が可能となる。
　光分割合成手段１６で生成された干渉光Ｘ３は、第１のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４を介して第１の光検出手段２４で受光され、電気信号（アナログ）である干渉信号（第１の干渉信号）に変換されて信号処理装置２８に出力される。同様に、光分割合成手段１６で生成された干渉光Ｙ３は、第２のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６を介して第２の光検出手段２６で受光され、電気信号（アナログ）である干渉信号（第２の干渉信号）に変換されて信号処理装置２８に出力される。
　第１及び第２のレンズ４４、４６は、光分割合成手段１６で生成された干渉光Ｘ３、Ｙ３を、光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄ（図６参照）で受光できるように、光検出手段２４、２６のサイズにレーザ光Ｘ、Ｙを拡げる。
　信号処理装置２８としては、例えば、信号処理回路とカウンタとコンピュータとを組み合わせることで構成することができる。
　第１及び第２の光検出手段２４、２６は、光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄ（図６参照）を有し、所定角度ずつ位相のずれた複数相の信号を検出する。そして、信号処理装置２８では、光検出手段２４、２６で得られた干渉信号から移動反射体１８の移動量及び移動反射体１８の移動方向を求め、大気揺らぎによる光路長の伸縮を加味して測定対象物に取り付けられた移動反射体１８の移動量を演算する。これにより、測定対象物の移動距離（長さ）を計測することができる。
　図４に示すように、移動反射体１８は移動装置４８に搭載される。移動装置４８は、移動反射体１８、直動ステージ５０等から構成される。移動反射体１８としては、再帰性反射可能なＣＣＰ（コーナキューブプリズム）又は直角プリズムミラー等が用いられる。これにより、移動反射体１８は、光分割合成手段１６から出射された測定光Ｘ１、Ｙ１を直角に組み合わされた面に入射させ、入射方向と平行な逆方向に反射する。この場合、移動反射体１８から戻される測定光Ｘ１、Ｙ１は２光軸系を維持していることが必要になる。したがって、測定光Ｘ１、Ｙ１は移動反射体１８の中央部に入射させるのではなく、図１及び図４から分かるように、移動反射体１８の一方のコーナ部に入射させ、直角な２つの反射面で反射させて他方のコーナ部から出射させることにより、入射方向と平行で且つ逆方向に出射させる。
　直動ステージ５０は、測定光Ｘ１、Ｙ１の進行方向又は逆方向にスライド可能な移動体であり、移動させることで、測定光Ｘ１、Ｙ１の光路長を変化させることができる。直動ステージ５０の移動は、光検出手段２４、２６からの干渉信号に基づいて信号処理装置２８が移動制御信号を生成し、直動ステージ５０上の移動反射体１８の移動量を求める。
　また、参照光Ｘ２、Ｙ２が反射する固定反射体２０は、移動反射体１８と同様に再帰性反射可能なＣＣＰ（コーナキューブプリズム）又は直角プリズムミラー等が用いられる。固定反射体２０の場合も、移動反射体１８と同様に、固定反射体２０の中央に入射させるのではなく、図１及び図４から分かるように、固定反射体２０の一方のコーナ部に入射させ、直角な２つの反射面で反射させて他方のコーナ部から出射させることにより、入射方向と平行で且つ逆方向に出射させる。
　次に、上記のごとく構成された２色干渉計測装置１０で測定対象物の移動距離（長さ）を計測する計測方法について説明する。
　計測装置１０で測定対象物の移動距離（長さ）を計測する場合、操作者は、移動反射体１８を測定対象物に取り付け、測定光Ｘ１、Ｙ１が移動反射体１８（例えばＣＣＰ）のコーナ部に正確に入射するように、計測装置１０を位置決めして固定する。準備が終了したら測定対象物を移動させて計測を開始する。
　計測が開始されると、図１に示すようにＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘは、光分割合成手段１６で２つのレーザ光である測定光Ｘ１と参照光Ｘ２に分割される。
　次に、測定光Ｘ１は移動反射体１８に入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６に入射する。参照光Ｘ２は固定反射体２０に入射し、そこで逆方向に反射された後、ウェッジプリズム２２を介して再び光分割合成手段１６に入射する。移動反射体１８から光分割合成手段１６に入射した測定光Ｘ１と、固定反射体２０から光分割合成手段１６に入射した参照光Ｘ２は、光分割合成手段１６で重なり合って干渉光Ｘ３を生成した後、第１のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４を介して第１の光検出手段２４に入射する。
　同様に、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙは、光分割合成手段１６で２つのレーザ光である測定光Ｙ１と参照光Ｙ２に分割される。
　次に、測定光Ｙ１は移動反射体１８に入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６に入射する。参照光Ｙ２はウェッジプリズム２２を介して固定反射体２０に入射し、そこで逆方向に反射された後、再び光分割合成手段１６に入射する。移動反射体１８から光分割合成手段１６に入射した測定光Ｙ１と、固定反射体２０から光分割合成手段１６に入射した参照光Ｙ２は、光分割合成手段１６で重なり合って干渉光Ｙ３を生成した後、第２のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６を介して第２の光検出手段２６に入射する。
　上記レーザ光Ｘ、Ｙは、光分割合成手段１６から光検出手段２４、２６まで、それぞれの光軸を有すると共に平行で近接した２光軸系の光干渉機構として構成される。また、前記した２光軸系において、レーザ光Ｘとレーザ光Ｙとは、同一の光路において逆進する。
　測定光Ｘ１、Ｙ１は、それぞれ参照光Ｘ２、Ｙ２と干渉して干渉光Ｘ３、Ｙ３を生成し、干渉縞（干渉信号）を生じる。干渉信号の強度は、測定光Ｘ１と参照光Ｘ２との光路差と、測定光Ｙ１と参照光Ｙ２との光路差が、それぞれレーザ光Ｘ、Ｙの波長の整数倍の時にもっとも大きくなり、光路差が波長の整数倍と１／２異なる時にもっとも小さくなる。
　そして、信号処理装置２８は、第１及び第２の光検出手段２４、２６で検出された干渉光Ｘ３、Ｙ３の干渉信号から測定対象物の移動距離（長さ）を以下のように演算する。
　信号処理装置２８は、それぞれの光検出手段２４、２６で受光された２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ（波長１５５０ｎｍ帯）を用いて、次式２で示される干渉信号強度関数に当てはめる。
　［式２］
　　　　干渉信号強度＝Ｂ×ｓｉｎ（２×２π／λ×Ｌ＋φ）…式２
　　　　ここで、Ｂ：信号強度振幅
　　　　　　　　λ：計測に使用する波長（６３３ｎｍ、１５５０ｎｍ帯）
　　　　　　　　Ｌ：測定対象物の移動距離
　　　　　　　　φ：計測における位相のずれ
　これにより、例えば図５に示すように、２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ（波長１５５０ｎｍ帯）について、移動反射体１８の移動量と、干渉信号強度との関係を示す干渉信号の正弦波が得られる。
　次に、２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ３（波長１５５０ｎｍ帯）について、カウンタでカウントされる干渉信号の波の数と位相とから、移動反射体１８の光学的距離であるＬ１（波長６３３ｎｍ）とＬ２（波長１５５０ｎｍ帯）を求める。
　そして、下記の式３から幾何学的距離Ｄを求めることによって、測定対象物が取り付けられた移動反射体１８の移動量を求めることができる。
　［式３］
　　　　幾何学的距離Ｄ＝Ｌ２－Ａ（Ｌ２－Ｌ１）…式３
　しかし、移動反射体１８の移動方向、大気揺らぎによる光路長の伸縮方向が分からないと、（Ｌ２－Ｌ１）を求めることができない。そこで、図６に示すように、固定反射体２０と光分割合成手段１６との間にウェッジプリズム２２を設けて、ウェッジプリズム２２を通過する参照光Ｘ２、Ｙ２の波面を、ウェッジプリズム２２に入射する直前の光軸に対してわずかに傾きをもたせるようにする。例えば、波面を１波長分以上傾ける。この場合、２つの参照光Ｘ２、Ｙ２に対して共通のウェッジプリズム２２に通過させると共に、進路を逆向きにすることが好ましい。図１に示す実施の形態では、参照光Ｙ２がウェッジプリズム２２の通過後に固定反射体２０から光分割合成手段１６の側へ進み、参照光Ｘ２は光分割合成手段１６から固定反射体２０を介してウェッジプリズム２２の通過後に光分割合成手段１６の側に進む。
　このように、２つの参照光Ｘ２、Ｙ２を共通のウェッジプリズム２２に対して逆向きに通過させることで、ウェッジプリズム２２から２つの光検出手段２４、２６までの光路長が異なるので、ウェッジプリズム２２での屈折による位置ずれを２つのレーザ光で合わせることができる。また、参照光Ｘ２、Ｙ２に対して共通のウェッジプリズム２２を使用することで部品点数を削減できる。
　ちなみに、参照光Ｘ２の光路と参照光Ｙ２の光路とにそれぞれウェッジプリズム２２を配置すると、屈折角のズレが顕著に大きくなり、計測誤差要因になる。
　また、光検出手段２４、２６は、光分割合成手段１６で干渉し、干渉光Ｘ３、Ｙ３の光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄ（例えば４つ）を有し、所定角度（例えば９０°）ずつ位相のずれた複数相（例えば４相）の信号を検出できるように構成されている。
　これにより、ウェッジプリズム２２を通過した参照光Ｘ２、Ｙ２による干渉光Ｘ３、Ｙ３は明暗がa、ｂ、ｃ、ｄのディテクタで段々とずれて、４つのフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄは順次９０°の位相が異なるＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ－相、Ｂ－相の４相からなる正弦波信号を検出することができる。
　そして、図７に示すように、検出した正弦波信号を信号処理して矩形波に変換する。これにより、矩形波に変換されたＡ相とＢ相の立ち上がりの位相ずれ方向を検出することで移動反射体１８の移動方向を把握することができ、Ａ相とＢ相の膨らみ方向を検出することで大気揺らぎによる光路長の伸縮方向を把握することができる。
　図７（Ａ）は移動反射体１８が正方向に移動したときのＡ相とＢ相との矩形波の関係を示す図であり、図７（Ｂ）は移動反射体１８が逆方向に移動したときのＡ相とＢ相との関係を示す矩形波の図である。
　このように、２つの光検出手段２４、２６で検出された２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ（波長１５５０ｎｍ帯）について、４分割の光検出手段２４、２６でそれぞれ検出し、信号処理装置２８で上記の信号処理を行うことによって、Ｌ１とＬ２との正負関係が分かる。
　したがって、得られた干渉信号を距離（長さ）情報に演算して移動反射体１８の移動量を求めることができるので、測定対象物の移動距離を計測することができる。即ち、２色干渉法を用いた計測装置の計測方法を上記の如く構成することで、従来の問題点であった「計測方法の具体化の問題」を解決することができる。
　また、上記の如く構成された２色干渉法を用いた計測装置１０は、以下の構成を取ることによって、実装置として十分に使用可能な高さまで計測精度を向上させることができる。
　２色干渉法によって測定対象物の移動距離を計測するには、測定対象物に取り付けられる移動反射体１８の移動量である幾何学的距離Ｄを精度良く求めることが重要になる。
　そして、幾何学的距離Ｄは上記したように次式３で表される。
　［式３］
　　　　　Ｄ＝Ｌ２－Ａ（Ｌ２－Ｌ１）…式３
　ここでＡ＝（ｎ１－１）／（ｎ２－ｎ１）で表され、温度や気圧等にほとんど依存しない定数であり、この係数Ａが数十～数百となる。
　　　Ｌ１＝ｎ１×Ｄ（レーザ光Ｘでの測定光路長又はレーザ光Ｙでの測定光路長）
　　　Ｌ２＝ｎ２×Ｄ（レーザ光Ｘでの測定光路長又はレーザ光Ｙでの測定光路長）
　　　ｎ１＝ｆ１（Ｔ、Ｐ、ｈ、ｃ、λ１）…レーザ光Ｘの大気の屈折率
　　　ｎ２＝ｆ２（Ｔ、Ｐ、ｈ、ｃ、λ２）…レーザ光Ｙの大気の屈折率
　　　Ｔ：温度、Ｐ：気圧、ｈ：湿度、ｃ：ＣＯ２濃度、λ１：レーザ光Ｘの波長、λ２：レーザ光Ｙの波長
　上記式３から分かるように、式３の測定光路差（Ｌ２－Ｌ１）を小さくすることが計測装置として使用可能な計測精度まで上げる上で不可欠である。
　そこで、本発明の実施の形態では、式３の測定光路差（Ｌ２－Ｌ１）を小さくするために、主として次の点を改良した。
　〈１〉本実施の形態では、周波数安定度が１０－８より高精度であって、波長が異なるレーザ光を出射する２種類のレーザ光源として、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２と、波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源１４とを設けるようにした。
　図８は、２種類のレーザ光源のうち、一方のレーザ光源を波長λ１が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２とした場合、他方のレーザ光源の波長λ２と係数Ａとの関係を示した図である。そして、点線がＨｅＮｅレーザ光源１２の６３３ｎｍの波長位置である。
　図８から分かるように、他方のレーザ光源の波長がＨｅＮｅレーザ光源の６３３ｎｍの波長位置から離れるにしたがって係数Ａが小さくなる。他方のレーザ光源の波長としては、５００ｎｍ以下の場合と、１０００ｎｍ以上（図８では最大２０００ｎｍまで示す）の場合において、係数Ａが約１００以下となる。即ち、一方のレーザ光源として、従来から周波数安定度の良いレーザ光源として知られていたＨｅＮｅレーザ光源１２を使用した場合には、他方のレーザ光源としては、ＨｅＮｅレーザ光源の波長の６３３ｎｍよりも１００ｎｍ以上小さい波長のものか、もしくは４００ｎｍ以上大きい波長のものを使用することで係数Ａを１００以下に小さくできる。
　具体的には、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２と波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源１４との２種類のレーザ光源を設けることで、係数Ａを１００以下にすることができる。
　また、半導体レーザ光源１４に温度制御装置３０を設けて周波数安定度を上げるようにしたので、価格的にも低価格で周波数安定度の高い半導体レーザ光源１４を構築することができる。
　これにより、従来の課題であった「周波数安定度の良い２種類のレーザ光源の問題」を解決することができる。
　〈２〉本実施の形態では、レーザ光が自己補償するという２色法の特徴を利用して２つのレーザ光Ｘ、Ｙを２光軸系として構成した。即ち、本発明は２色干渉法による干渉光学系を、１光軸系（同軸系）ではなく２光軸系にしたことによって、計測精度を向上させたことに大きな特徴がある。
　図９は、従来から２色干渉法で使用されていたダイクロイックミラーを用いて１光軸系の計測装置１００を構成した場合である。図１と同じ部材には同符号を付して説明する。
　２つのレーザ光源１２、１４から出射したレーザ光Ｘ、Ｙは、第１のダイクロイックミラー５６によって同じ光軸上にアライメントされた後、光分割合成手段１６に入射する。光分割合成手段１６に入射したレーザ光Ｘ＋Ｙは、光分割合成手段１６で移動反射体１８への測定光Ｘ１＋Ｙ１と固定反射体２０との参照光Ｘ２＋Ｙ２とに分割される。
　移動反射体１８の中央部に入射した測定光Ｘ１＋Ｙ１は、入射方向とは逆方向に反射されて光分割合成手段１６に入射すると共に、固定反射体２０の中央部に入射した参照光Ｘ２＋Ｙ２は、入射方向とは逆方向に反射されて光分割合成手段１６に入射する。
　そして、測定光Ｘ１＋Ｙ１と参照光Ｘ２＋Ｙ２とが光分割合成手段１６で重ね合わされて干渉光Ｘ３＋Ｙ３を形成する。干渉光Ｘ３＋Ｙ３は、第２のダイクロイックミラー５８によって、レーザ光Ｘとレーザ光Ｙとに分離されて第１の検出器５２と第２の検出器５４とに受光された後、信号処理装置２８に出力される。
　図９の構成で２色干渉法を用いた計測装置１００を構成する場合、ダイクロイックミラー５６で２つのレーザ光Ｘ、Ｙを同軸上にアライメントすることは極めて難しく、アライメント誤差が測定光路長の誤差になる。更にはダイクロイックミラー５６が温度ドリフト等により変形・変位すると光軸が変わってしまうので、ダイクロイックミラー５６を透過するレーザと、反射するレーザとを同軸上にアライメントすることは難しい。
　これに対して、本発明の実施の形態のように、光分割合成手段１６から光検出手段２４、２６までを２光軸系とすることによってレーザ光Ｘとレーザ光Ｙとをそれぞれの光軸に個別にアライメントすることができ、精度よくアライメントできる。したがって、ダイクロイックミラー５６を使用して１光軸系（同軸系）とする場合に比べて２つのレーザ光Ｘ、Ｙの測定光路差（Ｌ２－Ｌ１）を顕著に小さくできる。これにより、従来の課題であった「光軸アライメントの問題」を解決することができる。
　この場合、２光軸系を近接した平行な光軸とすることで同じ大気環境を通過させることができ、しかも２色干渉法は光軸系独自で自己補償することができるので、干渉計周囲の大気揺らぎの影響は極めて小さくすることができる。
　更には２光軸系とすることによって、上記したように、光分割合成手段１６と、移動反射体１８及び固定反射体２０との間を進むレーザ光Ｘとレーザ光Ｙとは同一の光路で逆進するので、往路と復路の相対評価として現れ、互いに打ち消しあうようにすることもでき、計測精度が向上する。
　また、移動反射体１８及び固定反射体２０としてＣＣＰを使用した例で説明すると、１光軸系の場合には、同軸上に光を戻すためにＣＣＰの中心に光を当てる必要がある。そして、ＣＣＰの中心からずれると、ミラーの突き合わせ部分（直角部分）で光が戻ってこないところができてしまう。これにより、第１の検出器５２及び第２の検出器５４に対して模様（例えば３本のスジ）ができてしまい、理想的な正弦波が得られなくなり、計測誤差になる。
　これに対して、２光軸系の場合には、図１及び図４から分かるようにＣＣＰのコーナ部分の左右の２つの辺を使用して光を戻すことができるので、理想的な正弦波を得ることができる。これにより、１光軸系におけるような上記問題を解消でき、高い計測精度を得ることができる。
　距離計測のシミュレーションの一例として、気温２０±０．５℃、気圧１０１２５０±５０Ｐａの大気（空気）条件で、１ｍの空間距離を以下の２つの計測方法で計測した場合である。
　１つの計測方法は、周波数安定度に優れたＨｅＮｅレーザ光源（周波数安定度１０－９）の１色干渉法で計測装置を構築した場合であり、その計測精度は６．１０６×１０－７となった。
　これに対して、図１で示した本発明の実施の形態のようにＨｅＮｅレーザ光源１２と半導体レーザ光源１４の２色干渉法で計測装置を構築した場合の計測精度は±４．３３２×１０－８（係数Ａ＝８４．１４５）となった。
　一方、図１に示した光分割合成手段１６は、図１０に示すような形態でもよい。
　すなわち、図１に示した光分割合成手段１６は、図１０に示すようにレーザ光を透過する光透過材料８０Ｌと光透過材料８０Ｒとレーザ光を分割する光分割材料８０Ｍとを構成要素として含む光分割合成手段でもよい。図１０の光分割合成手段１６は、固定反射体２０と光分割合成手段１６の間の挿入されているウェッジプリズム２２のレーザ光Ｘ（参照光Ｘ２）とレーザ光Ｙ（参照光Ｙ２）の屈折率の温度係数の異なることでの温度変化による誤差を補正するため、移動反射体１８の方向に光透過材料８０Ｒの厚さをウェッジプリズム２２の厚さ（ｔ）の、例えば半分（ｔ／２）だけ厚くしている。
　この方法はウェッジプリズム２２だけでなく、ガラス材料等の空気以外のレーザ光路の温度による屈折率変化やレーザ光Ｘとレーザ光Ｙに対する屈折率の温度係数の違いによる誤差を補正するのに有効である。
　すなわち、ウェッジプリズム２２の温度変化に起因する参照光Ｘ２、Ｙ２の屈折率変化を、光分割合成手段１６の温度変化に起因する測定光の屈折率変化によって相殺できる。よって、温度変化に起因する測定誤差の発生を防止できる。
　なお、光透過材料８０Ｒを固定反射体２０の方へ厚くしたり、大きくしたりするのではなく、光透過材料８０Ｌと光透過材料８０Ｒの向かい合う面をスライドさせたり、光透過材料８０Ｌを小さくしたりして、レーザ光が移動反射体１８へ向かう側とレーザ光が固定反射体２０へ向かう側への透過材料を通過する長さを調整する方法でもよい。これに対して、ウェッジプリズム２２に使用している光透過材料とほぼ同等の光透過材料を別途設置して補正することも考えられるが、この場合は、光分割合成手段１６と前記光透過材料との間で多重反射が起こり、誤差となるので好ましくない。
　つまり、ウェッジプリズム２２と熱膨張係数が同一（同一材料：石英、硼珪酸ガラス（ＢＫ７））の透過型の光学部材であって、ウェッジプリズム２２の厚さの半分の厚さの光学部材を、光分割合成手段１６の測定光出射面（入射面）に取り付ける方法もある。しかしながら、この相殺方法の場合には、前記光学部材によって測定光に迷光、散乱光が発生し、測定誤差が大きくなるという問題がある。これに対して、本態様は、光分割合成手段１６の厚さで対応したので、測定光に迷光、散乱光は発生せず、ウェッジプリズム２２の温度変化に起因する参照光の屈折率変化を合理的に相殺できる。
　一方、図１に示した２色干渉計測装置１０は、図１１に示すように、強度分布成型素子（第１の強度分布成型素子、及び第２の強度分布成型素子）８３、８３を含めた構成が好ましい。これは、レーザ光Ｘ、Ｙは光ファイバ３２、３６やコリメータレンズ３４、３８からの出力後、レーザ光進行方向に対する垂直断面において、強度の分布がガウシアン分布になり（図１２参照）、光検出手段２４、２６において干渉光Ｘ３、Ｙ３の干渉縞の強度が理想的な正弦波からずれてしまうために、誤差となる。ところが、強度分布成型素子８３により、レーザ光進行方向に対する垂直断面において、トップフラットな強度分布にすることにより、光検出手段２４、２６において干渉光Ｘ３、Ｙ３の干渉縞の強度がほぼ理想的な正弦波となり、誤差を低減できる（図１３参照）。
　また、ガウシアン分布では、光検出手段２４、２６の置く位置をガウシアンのピーク位置で何とか調整しなければいけないのに対し、強度分布成型素子８３により、トップフラットな強度分布にすることにより光検出手段２４、２６の置く位置に余裕ができるためアライメントが極めて容易になる。
　光分割合成手段１６と移動反射体１８との間及び、光分割合成手段１６と固定反射体２０との間のレーザ光Ｘとレーザ光Ｙのアライメントは前記レーザ光可視化装置にてレーザ光を可視化しながら、調整するので、レーザ光の中心が判別しやすいガウシアン分布で観察できるよう強度分布成型素子８３は取り外し可能なことが望ましい。
　次に、本発明の応用例として、角度を計測する２色干渉計測装置２００について説明する。
　［角度を計測する２色干渉計測装置］
　図１４は、２色干渉法を用いて角度（ヨーイング、ピッチング）を計測する計測装置２００を構成した実施の形態である。
　角度を計測する２色干渉計測装置２００は、図１で示した２光軸系の光干渉機構を少なくとも２系統設け、それぞれの系統ごとに設けられた移動反射体を、垂直方向及び／又は水平方向に配列させて測定対象物に設け、信号処理装置で計算された移動反射体の移動量から、角度演算装置によって測定対象物の傾き角度を演算するように構成したものである。なお、図１で示したものと同じ部材には、同じ符号を付して説明するが、第１系統は数字の後にＡを付し、第２系統は数字の後にＢを付して区別する。
　図１５は、移動装置４８の直動ステージ５０に垂直方向に間隔を置いて２つの移動反射体１８Ａ、１８Ｂ（例えばＣＣＰ）を並設し、測定対象物（図示せず）の垂直方向の傾き角度を計測するようにした例である。
　なお、直動ステージ５０に垂直方向に２つの移動反射体１８Ａ、１８Ｂを設け、水平方向に１つの移動反射体（図示せず）を設ければ、測定対象物の垂直方向及び水平方向の傾き角度を計測することができる。
　図１５に示すように、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘは、光ファイバ３２及び第１のコリメータレンズ３４を介して進み、第１光分割合成手段６０で第１系統Ａと第２系統Ｂとに分割される。同様に、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙは、光ファイバ３６及び第２のコリメータレンズ３８を介して進み、第２光分割合成手段６２で第１系統Ａと第２系統Ｂに分割される。
　なお、レーザ光Ｘのうち第１系統Ａをレーザ光ＸＡと言い、第２系統Ｂをレーザ光ＸＢと言う。同様に、レーザ光Ｙのうち第１系統Ａをレーザ光ＹＡと言い、第２系統Ｂをレーザ光ＹＢと言う。そして、第１系統Ａのレーザ光ＸＡ、ＹＡと第２系統Ｂのレーザ光ＸＢ、ＹＢとは、平行な２系統の光学系を形成する。
　（第１系統の構成）
　第１系統Ａにおけるレーザ光ＸＡは、ミラー６４で反射した後、光分割合成手段１６Ａに入射し、光分割合成手段１６Ａで２つのレーザ光である測定光ＸＡ１と参照光ＸＡ２に分けられる。
　次に、測定光ＸＡ１は移動反射体１８Ａに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ａに入射する。参照光ＸＡ２は固定反射体２０Ａに入射し、そこで逆方向に反射されて後、ウェッジプリズム２２Ａを介して再び光分割合成手段１６Ａに入射する。移動反射体１８Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した測定光ＸＡ１と、固定反射体２０Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した参照光ＸＡ２は、光分割合成手段１６Ａで重なり合って干渉光ＸＡ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４Ａを介して第１の光検出手段２４Ａに入射する。
　同様に、第１系統Ａにおけるレーザ光ＹＡは、ミラー６６で反射した後、光分割合成手段１６Ａに入射し、光分割合成手段１６Ａで２つのレーザ光である測定光ＹＡ１と参照光ＹＡ２に分けられる。
　次に、測定光ＹＡ１は移動反射体１８Ａに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ａに入射する。参照光ＹＡ２は、ウェッジプリズム２２Ａを介して固定反射体２０Ａに入射し、そこで逆方向に反射された後、再び光分割合成手段１６Ａに入射する。移動反射体１８Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した測定光ＹＡ１と、固定反射体２０Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した参照光ＹＡ２は、光分割合成手段１６Ａで重なり合って干渉光ＹＡ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６Ａを介して第２の光検出手段２６Ａに入射する。
　上記２つのレーザ光ＸＡ、ＹＡは、光分割合成手段１６Ａから２つの光検出手段２４Ａ、２６Ａまで、それぞれの光軸を有すると共に平行で近接した２光軸系の光干渉機構として構成される。また、前記した２光軸系の光干渉機構において、レーザ光ＸＡとレーザ光ＹＡとは、逆向きの光路を形成する。
　そして、第１系統Ａの信号処理装置２８Ａは、第１及び第２の光検出手段２４Ａ、２６Ａで検出された干渉光ＸＡ３、ＹＡ３の干渉縞から測定対象物の移動距離（長さ）を演算する。演算する方法は、図１の移動距離（長さ）計測する計測装置１０の場合と同様であるので説明は省略する。
　（第２系統の構成）
　第２系統におけるレーザ光ＸＢは、光学系光分割合成手段１６Ｂで２つのレーザ光である測定光ＸＢ１と参照光ＸＢ２に分けられる。
　次に、測定光ＸＢ１は移動反射体１８Ｂに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。参照光ＸＢ２は固定反射体２０Ｂに入射し、そこで逆方向に反射されて後、ウェッジプリズム２２Ｂを介して再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。移動反射体１８Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した測定光ＸＢ１と、固定反射体２０Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した参照光ＸＢ２は、光分割合成手段１６Ｂで重なり合って干渉光ＸＢ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４Ｂを介して第１の光検出手段２４Ｂに入射する。
　同様に、第２系統におけるレーザ光ＹＢは、２つのミラー６８、７０を介して光分割合成手段１６Ｂで２つのレーザ光である測定光ＹＢ１と参照光ＹＢ２に分けられる。
　次に、測定光ＹＢ１は移動反射体１８Ｂに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。参照光ＹＢ２は、ウェッジプリズム２２Ｂを介して固定反射体２０Ｂに入射し、そこで逆方向に反射された後、再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。移動反射体１８Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した測定光ＹＢ１と、固定反射体２０Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した参照光ＹＢ２は、光分割合成手段１６Ｂで重なり合って干渉光ＹＢ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６Ｂを介して第２の光検出手段２６Ｂに入射する。
　上記２つのレーザ光ＸＢ、ＹＢは、光分割合成手段１６Ｂから光検出手段２４Ｂ、２６Ｂまで、それぞれの光軸を有すると共に平行で近接した２光軸系の光干渉機構として構成される。また、前記した２光軸系の光干渉機構において、レーザ光ＸＢとレーザ光ＹＢとは、逆向きの光路を形成する。
　そして、第２系統Ｂの信号処理装置２８Ｂは、第１及び第２の光検出手段２４Ｂ、２６Ｂで検出された干渉光ＸＢ３、ＹＢ３の干渉縞から測定対象物の移動距離（長さ）を演算する。演算する方法は、図１の移動距離（長さ）計測する計測装置１０の場合と同様であるので説明は省略する。
　次に、角度演算装置７２は、第１系統Ａの信号処理装置２８Ａで得られた移動反射体１８Ａの移動量と、第２系統Ｂの信号処理装置２８Ｂで得られた移動反射体１８Ｂの移動量とから、以下の式３を用いて測定対象物の傾き角度を演算する。
　図１６は、測定対象物に取り付けられた移動反射体１８Ａ、１８Ｂの面と垂直軸との間で角度θ傾いている場合であり、式４に、ＤＡ、ＤＢ、ＤＭを代入することによって、測定対象物の傾き角度θを演算できる。
　［式４］
　　　　　　θ＝ｔａｎ－１×［（ＤＡ－ＤＢ）／ＤＭ］…式４
　ここで、θ：傾き角度
　　　　　ＤＡ：第１系統Ａの移動反射体１８Ａの移動量
　　　　　ＤＢ：第２系統Ｂの移動反射体１８Ｂの移動量
　　　　　ＤＭ：平行な光軸を形成する第１系統Ａのレーザ光と第２系統Ｂのレーザ光の中心軸間の距離
　このように、本実施の形態のように構成された角度を計測する２色干渉計測装置２００によれば、測定対象物の傾き角度（ヨーイング、ピッチング）を高精度に計測することができる。また、２色干渉法では大気の揺らぎの影響を補償できるので、第１系統Ａのレーザ光と第２系統Ｂのレーザ光の中心軸間の距離（移動反射体Ａと移動反射体Ｂの間隔）を拡げて、角度分解能を上げることも可能である。ちなみに、１色（１つのレーザ光）の距離計測装置を２台並べた角度計測装置の場合や、１色で移動反射体１８Ａに光分割合成手段で２つに分岐した一方のレーザ光を、移動反射体１８Ｂにもう一方のレーザ光を当てるような角度計測装置などの場合には、移動反射体Ａと移動反射体Ｂの間隔を広げると移動反射体Ａの側と移動反射体Ｂの側で、レーザ光の大気に対する揺らぎ方が異なってくるため計測誤差が大きくなる。
　角度計測のシミュレーションとして、気温２０±０．５℃、気圧１０１２５０±５０Ｐａの大気（空気）条件で且つ２つのレーザ光の中心軸間の距離を３０ｍｍ、第１系統の光分割合成手段１６Ａから固定反射体２０Ａまでの空間距離と、移動反射体１８Ａまでの空間距離の差が１ｍで、第２系統の光分割合成手段１６Ｂから固定反射体２０Ｂまでの空間距離と、移動反射体１８Ｂとの空間距離の差が１ｍとした条件で、上記した１色（１つのレーザ光）の距離計測装置を２台並べた従来の角度計測装置と、図１５の本実施の形態の２色干渉計測装置の場合とで、角度計測の精度がどのように異なるかを比較した。
　その結果、角度計測装置は、距離精度が±６．１０６×１０－７、角度精度が±２．３３×１０－３°となった。
　これに対して、本発明の実施の形態の２色干渉計測装置の場合には、距離精度が±４．３３２×１０－８、角度精度が±１．６５×１０－４°（係数Ａ＝８４．１４５）となった。
　以上説明したように、２色干渉法を用いて距離（長さ）や角度計測する本実施の形態の計測装置によれば、従来の問題点（課題）であった「大気揺らぎの問題」、「波長の選択性及び高価格の問題」、「光軸アライメントの問題」、及び「計測方法の具体化の問題」の全て解決することができる。
　これにより、低コストで高い計測精度を得ることができ、実装置として十分に満足する２色干渉法を用いた計測装置を提供することができる。
　また、本実施の形態の計測装置によれば、大気揺らぎ（温度、気圧、湿度等）の影響を補償できるので、野外のような環境外乱の大きい場所でも高精度な計測が可能である。
　また、図１５のように構成された計測装置であれば、距離、角度、真直度を計測することができる。
　１０、２００…２色干渉計測装置、１２…ＨｅＮｅレーザ光源、１４…半導体レーザ光源、１６、１６Ａ、１６Ｂ…光分割合成手段、１８、１８Ａ、１８Ｂ…移動反射体、２０、２０Ａ、２０Ｂ…固定反射体、２２、２２Ａ、２２Ｂ…ウェッジプリズム、２４、２４Ａ、２４Ｂ…第１の光検出手段、２６、２６Ａ、２６Ｂ…第２の光検出手段、２８、２８Ａ、２８Ｂ…信号処理装置、３０…温度制御装置、３２…光ファイバ、３４…第１のコリメータレンズ、３６…光ファイバ、３８…第２のコリメータレンズ、４０、４２…ミラー、４４、４４Ａ、４４Ｂ、４６、４６Ａ、４６Ｂ…レンズ、４８…移動装置、５０…直動ステージ、５２…第１の検出器、５４…第２の検出器、５６、５８…ダイクロイックミラー、６０、６２…光分割合成手段、６４、６６、６８、７０…ミラー、８０Ｌ、８０Ｒ…光透過材料、８０Ｍ…光分割材料、８１…光可視化膜、８２…光透過材料、８３…強度分布成型素子、８４…逆進レーザ光可視化装置

Claims (12)

  1. 　第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
    　第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
    　前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光を、第１の参照光及び第１の測定光に分割し、固定反射体で反射された前記第１の参照光と測定対象物に取り付けられた移動反射体で反射された前記第１の測定光とを第１の干渉位置で合成して第１の干渉光を生成し、かつ前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のレーザ光を、第２の参照光及び第２の測定光に分割し、前記第２の参照光を前記第１の参照光の光路を逆進させるとともに、前記第２の測定光を前記第１の測定光の光路を逆進させ、前記固定反射体で反射された前記第２の参照光と前記移動反射体で反射された前記第２の測定光とを第２の干渉位置で合成して第２の干渉光を生成する光分割合成手段と、
    　前記第１の参照光と前記第２の参照光の光路中に配設され、又は前記第１の測定光と前記第２の測定光の光路中に配設されたウェッジプリズムと、
    　前記第１の干渉光を受光して第１の干渉信号を検出する第１の光検出手段と、
    　前記第２の干渉光を受光して第２の干渉信号を検出する第２の光検出手段と、
    　を備えることを特徴とする２色干渉計測装置。
  2. 　前記第１及び第２の干渉信号から前記移動反射体の移動量、移動方向及び大気揺らぎによる光路長の伸縮方向を算出して前記測定対象物の距離を演算する信号処理装置を備えた請求項１に記載の２色干渉計測装置。
  3. 　前記第１及び第２の光検出手段は、前記第１及び第２の干渉光の光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタを有し、所定角度ずつ位相のずれた複数相からなる干渉信号を検出する請求項２に記載の２色干渉計測装置。
  4. 　前記２光軸系の光干渉機構が少なくとも２系統平行な光軸を形成するように設けられた光学系と、
    　前記光学系のそれぞれの系統ごとに設けられ、垂直方向及び／又は水平方向に配列された前記移動反射体と、
    　前記信号処理装置で計算されたそれぞれの系統ごとの前記移動反射体の移動量から前記測定対象物の傾き角度を演算する角度演算装置と、を備えた請求項２又は３に記載の２色干渉計測装置。
  5. 　前記第１のレーザ光源は、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源であり、前記第２のレーザ光源は、波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源である請求項１から４のいずれか１項に記載の２色干渉計測装置。
  6. 　前記半導体レーザ光源にはレーザ光源の温度を制御する温度制御装置が設けられる請求項５に記載の２色干渉計測装置。
  7. 　前記ウェッジプリズムに対して同一の光路で前記第１の参照光と前記第２の参照光とが逆進し、
    　前記ウェッジプリズムから前記第１の干渉位置までの前記第１の参照光の光路長よりも、前記ウェッジプリズムから前記第２の干渉位置までの前記第２の参照光の光路長が長い請求項５又は６に記載の２色干渉計測装置。
  8. 　前記第１及び第２の測定光は、前記移動反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成され、前記第１及び第２の参照光は、前記固定反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成されている請求項１から７のいずれか１項に記載の２色干渉計測装置。
  9. 　前記光分割合成手段は、移動反射体側と固定反射体側で光路長が非対称に構成され、前記ウェッジプリズム及びその他空気以外のレーザ光路の２波長の屈折率の温度係数の違いによる温度変化による誤差を補正する請求項１～６のいずれか１項に記載の２色干渉計測装置。
  10. 　前記光分割合成手段は、前記ウェッジプリズムと熱膨張係数が同一の材料で構成され、
    　前記光分割合成手段のうち前記第１及び第２の測定光が通過する部分の光軸方向の厚さが、前記第１及び第２の参照光が通過する部分の光軸方向の厚さよりも、前記ウェッジプリズムの光軸方向の厚さの半分だけ厚くされている請求項９に記載の２色干渉計測装置。
  11. 　前記第１のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第１の強度分布成型素子が配置され、前記第１のレーザ光のガウシアンビームが、前記第１の強度分布成型素子によってフラットトップの出力ビームに変換され、
    　前記第２のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第２の強度分布成型素子が配置され、前記第２のレーザ光のガウシアンビームが、前記第２の強度分布成型素子によってフラットトップの出力ビームに変換される請求項１～１０のいずれか１項に記載の２色干渉計測装置。
  12. 　前記２つのレーザ光のレーザ進行方向の垂直断面のレーザ強度分布を、トップフラット形状のレーザ強度分布に変換する強度分布成型素子を備えた請求項１～１０のいずれか１項に記載の２色干渉計測装置。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6428504A (en) * 1987-07-23 1989-01-31 Yokogawa Electric Corp Length measuring device
JPH01250804A (ja) * 1988-03-31 1989-10-05 Tokyo Seimitsu Co Ltd 干渉計
JPH0454407A (ja) * 1990-06-25 1992-02-21 Toyota Autom Loom Works Ltd 光学式変位計
JPH05500864A (ja) * 1990-06-15 1993-02-18 レニショウ パブリック リミテッド カンパニー 角度変位測定の方法および装置
JP2006501463A (ja) * 2002-10-04 2006-01-12 レニショウ　パブリック　リミテッド　カンパニー 真空室の壁に繰返し可能に取り付けるためのレーザ干渉計
JP2007333469A (ja) * 2006-06-13 2007-12-27 Hamamatsu Photonics Kk 干渉測定装置
JP2009300263A (ja) * 2008-06-13 2009-12-24 Mitsutoyo Corp ２波長レーザ干渉計および２波長レーザ干渉計の光軸調整方法
JP2011523711A (ja) * 2008-06-03 2011-08-18 ファン ジェイ． ジーオン， 干渉欠陥検知及び分類
JP2011197534A (ja) * 2010-03-23 2011-10-06 Nikon Corp 干渉対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置
JP2014196999A (ja) * 2013-03-06 2014-10-16 株式会社東京精密 ２色干渉計測装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6428504A (en) * 1987-07-23 1989-01-31 Yokogawa Electric Corp Length measuring device
JPH01250804A (ja) * 1988-03-31 1989-10-05 Tokyo Seimitsu Co Ltd 干渉計
JPH05500864A (ja) * 1990-06-15 1993-02-18 レニショウ パブリック リミテッド カンパニー 角度変位測定の方法および装置
JPH0454407A (ja) * 1990-06-25 1992-02-21 Toyota Autom Loom Works Ltd 光学式変位計
JP2006501463A (ja) * 2002-10-04 2006-01-12 レニショウ　パブリック　リミテッド　カンパニー 真空室の壁に繰返し可能に取り付けるためのレーザ干渉計
JP2007333469A (ja) * 2006-06-13 2007-12-27 Hamamatsu Photonics Kk 干渉測定装置
JP2011523711A (ja) * 2008-06-03 2011-08-18 ファン ジェイ． ジーオン， 干渉欠陥検知及び分類
JP2009300263A (ja) * 2008-06-13 2009-12-24 Mitsutoyo Corp ２波長レーザ干渉計および２波長レーザ干渉計の光軸調整方法
JP2011197534A (ja) * 2010-03-23 2011-10-06 Nikon Corp 干渉対物レンズ及びこれを有する顕微鏡装置
JP2014196999A (ja) * 2013-03-06 2014-10-16 株式会社東京精密 ２色干渉計測装置

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