JPH0843015A - 干渉測長システム - Google Patents

干渉測長システム

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JPH0843015A
JPH0843015A JP6200092A JP20009294A JPH0843015A JP H0843015 A JPH0843015 A JP H0843015A JP 6200092 A JP6200092 A JP 6200092A JP 20009294 A JP20009294 A JP 20009294A JP H0843015 A JPH0843015 A JP H0843015A
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Kazuo Takahashi
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 干渉計から被測定物までの距離情報を高精度
に計測することのできる干渉測長システムを得ること。 【構成】 第１光源手段からの光束を干渉計を介して被
測定物に導光し、該被測定物からの光束を該干渉計を介
して得た干渉信号より第１演算回路で該干渉計から該被
測定物までの距離情報を得る第１干渉測長システムと、
発振波長が可変の第２光源手段からの光束を同一の干渉
計に導入し、該干渉計を介して該被測定物に導光し、該
被測定物からの光束を該干渉計を介して得た干渉信号よ
り第２演算回路で該干渉計から該被測定物までの距離情
報を得る際、該第２光源手段から波長の異なる複数の光
束を用いて複数の距離情報を得る第２干渉測長システム
とを有していること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は干渉測長システムに関
し、特にレーザ干渉計（干渉計）を用いて、該干渉計か
ら被測定物までの距離情報を測長する場合の該干渉計と
被測定物との間の空気のインデックス（屈折率）変化に
よる計測誤差を補正し、距離情報を高精度に求めること
のできる干渉測長システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より干渉計を用いて測長や寸法計測
等の距離情報を得る干渉測長システムが種々と提案され
ている。このとき距離或いは寸法を計測するオーダがμ
ｍ（マイクロメートル）からｎｍ（ナノメートル）にな
ると干渉計から被測定物までの間の空気の屈折率（イン
デックス）の変化が計測値に影響を与えるようになって
くる。空気のインデックスを変化させる要因としては温
度、気圧、湿度等がある。
【０００３】従来よりこれらの各要因の影響を排除して
距離情報を得る方法は種々あるが、例えば第１の方法と
して前記要因をそれぞれ別のセンサーで計測し、これら
の各値から空気のインデックス変化を計算する換算式を
利用して計測誤差の低減を図る方法がある。このときの
換算式としては次に示すイーデンの式（１）が一般に使
用されている。
【０００４】
【数１】 ｎS ；標準状態の空気の屈折率 ｐ；測定時の大気圧(mmHg) ｎ ；測定時における空気の屈折率 ｆ；測定時の水蒸気圧 ｓ ；１μｍ中の波の数 ｋ；測定時の炭酸ガス含有量 ｔ ；測定時の温度 （0.01％単位で表した数値） この方式の補正システムはオート・コンペンセータと呼
ばれ、一般に市販されている。
【０００５】また第２の方法としてレーザ干渉計を用い
て測長する場合、測定場所の雰囲気温度を安定させ、こ
れに付随して相対湿度を安定させることによって空気の
インデックスの変化を少なくする方法も採られている。
またこの方式に気圧変化のみを計測し、その変化量を前
述のイーデンの式に代入し、補正係数を算出して補正す
るという方法も採られている。
【０００６】この他第３の方法として図５に示すように
低熱膨張係数の材料２３で一定の測長距離Ｌを維持でき
る機構を作り、この距離をレーザ光源５，レーザ干渉光
学系２，反射ミラー２４そして光電変換素子（レシー
バ）６より成るレーザ干渉計でＬを測長することによっ
てレーザ光源５から発振波長が安定していれば測長した
変化分が空気のインデックスの変化による計測誤差とみ
なせるような、補正システムも開発されている。
【０００７】この方式は前記の各要因を別々に計測する
のではなく、直接空気のインデックスの変化を測定でき
るという点で優れた方法である。この方法を採用したシ
ステムは市販されており、ウエーブ レングス トラッ
カ、オプチカル ウエーブレングス コンペンセータ等
と呼ばれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前述の第１の方法は各
々のセンサーの精度が影響し、補正できる精度は測長距
離に対して１〜２ｐｐｍ程度が限界である。また第２の
方法は温度、湿度の安定化には限界があり、特に発熱源
が近くにある一般の産業装置では測長用のレーザ光の通
過する空間の全域で温度を安定化させることは非常に困
難である。
【０００９】また第３の方法は装置の寸法が大きく、計
測用レーザビームの近傍に設置できないことと、例えば
ＸＹステージのように計測軸が多数ある場合、各々の軸
にそれぞれ配置することが必要となるが、前記の理由の
他に装置コストの問題、レーザパワー（多軸に分割する
為の）の問題等が生じる。
【００１０】最近では、ある離れた２つの周波数を有す
るレーザ光源を用いて空気のインデックス変化を計測
し、補正する手段が新技術事業団の吉田ナノ機構プロジ
ェクトから発表されている（J.Appl.Phys.28(1984)L47
3）。しかしこの方法は波長安定度が高く、レーザ寿命
が比較的長いＨｅ−Ｎｅレーザではなく、Ａｒレーザの
２４４ｎｍと２倍波長の４８８ｎｍを使用しており、装
置が大型化するばかりでなく、光学系も複雑になる傾向
があった。
【００１１】また従来の基準寸法を計測する方式ではレ
ーザ光源の発振波長が安定していることが必要条件であ
り、Ａｒレーザの２波長を使用する方法でも、この波長
を常時計測に使用していることから同様の条件が必要に
なる等の問題点があった。
【００１２】本発明は、測長光路のごく近接した部分で
補正係数を計測でき、かつ装置を大型化することなくコ
スト的にも有利で、干渉計と被測定物との間の空気の屈
折率（インデックス）が標準状態から変化してもそれに
より生じる測定誤差を補正でき、距離情報を高精度に求
めることのできる干渉測長システムの提供を目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の干渉測長システ
ムは、 （１−１）第１光源手段からの光束を干渉計を介して被
測定物に導光し、該被測定物からの光束を該干渉計を介
して得た干渉信号より第１演算回路で該干渉計から該被
測定物までの距離情報を得る第１干渉測長システムと、
発振波長が可変の第２光源手段からの光束を第１干渉シ
ステムの光学素子の一部或いは全てを共有させて導入
し、該被測定物からの光束を該干渉計を介して得た干渉
信号より第２演算回路で該干渉計から該被測定物までの
距離情報を得る構成により、該第２光源手段からの波長
の異なる複数の光束を用いて複数の距離情報を得る第２
干渉測長システムとを有していることを特徴としてい
る。
【００１４】特に、（１−１−１）前記第１光源手段は
一定波長のレーザ光を発振するレーザ光源であり、前記
第２光源手段は固体レーザであること （１−１−２）前記第２光源手段は波長シフターを有し
ていること （１−１−３）前記第２光源手段は音響光学素子を有
し、直交２周波の光束を発振していること （１−１−４）前記第１，第２干渉測長システムはヘテ
ロダイン干渉法を利用していること 等を特徴としている。
【００１５】（１−２）第１光源手段からの光束を干渉
計を介して被測定物に導光し、該被測定物からの光束を
該干渉計を介して得た干渉信号より第１演算回路で該干
渉計から該被測定物までの距離情報を得る第１干渉測長
システムと、発振波長が少なくとも２つ以上選択可能な
複数の固体レーザを有する第２光源手段からの光束を第
１干渉測長システムと同一の干渉計を介して該被測定物
に導光し、該被測定物からの光束を該干渉計を介して得
た干渉信号より第２演算回路で該干渉計から該被測定物
までの距離情報を得る構成により、該第２光源手段から
波長の異なる複数の光束を用いて複数の距離情報を得る
第２干渉測長システムとを有していることを特徴として
いる。
【００１６】特に、（１−２−１）前記第２光源手段は
音響光学素子を有し、直交２周波の光束を発振している
こと。
【００１７】（１−２−２）前記第１，第２干渉測長シ
ステムはヘテロダイン干渉法を利用していること。
【００１８】（１−２−３）前記第２光源手段は波長シ
フターを有していること等を特徴としている。
【００１９】
【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図は本発明を光ヘテロダイン干渉計に適用した場
合を示している。図中１は第１の光源手段としてのレー
ザ光源（レーザヘッド）であり、熱安定化されたＨｅ−
Ｎｅレーザのチューブからのレーザ光をゼーマン効果も
しくは音響光学素子（ＡＯＭ）等を用いて直交２周波の
レーザ光を射出している。２はレーザ干渉光学系（レー
ザ干渉計または干渉計という。）であり光ヘテロダイン
干渉を利用しレーザ光源１からの直交２周波のレーザ光
を計測光と基準光に分け、計測光を被測定物（不図示）
上の計測ミラー９に照射し、反射した光（計測光）を基
準光と干渉させている。
【００２０】３はレシーバであり、レーザ干渉計２から
の干渉光の明暗信号を光電変換し、干渉信号としての電
気信号を得ている。７は第１演算回路であり、レシーバ
３からの電気信号とレーザヘッド１からの基準信号を用
いて信号処理を行い、被測定物９に関する距離情報を計
算している。８は制御回路であり、第１演算回路７から
の距離情報を外部機器に結果を送る、或いは外部機器か
ら計測タイミング等の信号を受け取る為のインターフェ
イス回路を有している。
【００２１】本実施例において以上の各要素１，２，
３，７，８は光ヘテロダイン干渉法を利用した第１干渉
測長システムの一要素を構成している。
【００２２】５は第２光源手段としての発振波長が可変
のレーザ光源（レーザヘッド）であり、固体レーザのレ
ーザ光を音響光学素子を用いて直交２周波に変換したレ
ーザ光を射出している。レーザ光源５からのレーザ光を
レーザ干渉計２にその光路に近接させて導光している。
そして第１干渉測長システムと同様にしてレーザ干渉計
２より干渉光を得ている。
【００２３】６はレシーバであり、レーザ光源５からの
レーザ光に基づく干渉光の明暗信号を光電変換して干渉
信号としての電気信号を得ている。４は第２演算回路で
あり、レシーバ６からの電気信号とレーザヘッド５から
の基準信号を用いて信号処理を行い被測定物９に関する
距離情報を計算している。演算回路４からの距離情報は
制御回路８に入力している。
【００２４】本実施例では以上の各要素２，５，６，
４，８は光ヘテロダイン干渉法を利用した第２干渉測長
システムの一要素を構成している。
【００２５】尚本実施例では後述するようにプレーンミ
ラー干渉計と呼ばれる計測光を２往復させて分解能を向
上させているシステムを例に説明しているが、必ずしも
プレーンミラー干渉計のシステムでなくとも良い。
【００２６】図２（Ａ）はプレーンミラー干渉計を用い
たシステムでの第１干渉測長システムにおけるレーザ光
源１からのレーザ光１０と第２干渉測長システムにおけ
るレーザ光源５からのレーザ光１１が被測定物上の計測
ミラー９の面に照射している様子を示している。
【００２７】図２（Ｂ）は図１に示すように平面的に第
１，第２干渉測長システムを配置した場合の計測ミラー
９面上のレーザ光１０，１１を示している。
【００２８】次に本実施例の干渉測長システムの実際の
動作、作用及び効果等を説明する。外部の制御装置から
の信号を制御回路８に入力し、第１，第２干渉測長シス
テムをリセットし、計測を開始する。このときの被測定
物９の位置が原点となる。次に被測定物９をレーザ干渉
計２に近付け、デッドパスが最小になるようにし、位置
を固定する。この位置で第２干渉測長システムのレーザ
光源５の固体レーザの発振周波数を少しずつ変化させ、
或いはスイープさせて連続的に各々周波数での干渉信号
をレシーバ６で光電変換し、演算回路４で位置の変化量
に換算し、制御回路８内の記憶装置に各周波数と対応さ
せて記憶させる。一般に固体レーザの発振周波数と各周
波数における測定値（位置の変化量）は図３に示すよう
に比例するので、これを最小自乗法等で直線近似し、直
線の傾きα0 を求めておく。
【００２９】ここで、複数の周波数で測定値を求めてい
る理由は、測定確度を向上させる目的である。２つの波
長のみで直線の傾きを求める場合よりも、より測定確度
を高めることができる。
【００３０】上述の測定ではデッドパスを最小にしてい
る為、温度がコントロールされている環境では空気の揺
らぎ等による屈折率の変化は起きにくいと考えて良い。
従ってこのときの大気圧を別のセンサで測定しておけ
ば、前述したイーデンの式（１）よりこのときの温度及
び大気圧における空気の屈折率を計算することができ、
今これをｎ0 とする。或いは標準状態での空気の屈折率
ｎ0 からイーデンの式を使って図３の屈折率の直線Ｓｎ
0 を作ることもできる。何れの方法でも良いが測定の基
準となる屈折率がｎ0 のときの直線Ｓｎ0 の傾きを決定
しておく。
【００３１】次に被測定物９をレーザ干渉計２から最も
離れた位置に移動させ、固定する。この位置で前述と同
様の測定を行い、計算処理すると図３のＳｎ1 あるいは
Ｓｎ2 の直線が得られ、直線の傾きα1 ，α2 を求める
ことができる。前述の屈折率ｎ0 の直線Ｓｎ0 の傾きと
屈折率ｎ1 或いはｎ2 の直線Ｓｎ1 ，Ｓｎ2 の傾きの差
分がデッドパスを大きくしたときの空気の揺らぎによる
測長誤差と考えることができる。
【００３２】本実施例では被測定物９を固定して測長誤
差を求める方法を述べたが、第１干渉測長システムで実
際の位置を計測しており、前述の各周波数における位置
の測定値からこの実際の位置を引いて位置の変化量とす
れば、必ずしも被測定物９が静止している必要はない。
【００３３】また、第２の干渉測長システムは空気の屈
折率（インデックス）変化を測定する間の非常に短い時
間の間だけ、レーザの周波数が安定していれば良く、発
振周波数を計測する機能を付加すれば発振周波数の絶対
値が必ずしも一定値である必要はない。
【００３４】図４は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。同図において１は第１光源手段としてのレーザ光源
（レーザヘッド）であり、熱安定化されたＨｅ−Ｎｅレ
ーザチューブからのレーザ光をゼーマン効果もしくは音
響光学素子（ＡＯＭ）を用いて直交２周波のレーザ光を
射出している。２は干渉計である。
【００３５】レーザ光源１から射出されたレーザ光はハ
ーフミラー等の光学部材２２を介した後、偏光ビームス
プリッター１２で２つの光に分割している。このとき直
交２周波のうちの一方は計測用のレーザ光１０として偏
光ビームスプリッタ１２を直進し、λ／４板１３を通過
し、計測用のミラー９に達する。ミラー９で反射したレ
ーザ光１０は再びλ／４板１３を通過し、偏光ビームス
プリッター１２に戻る。このときレーザ光１０はλ／４
板１３を２回通過することによって偏光状態が異なって
いる為に偏光ビームスプリッター１２で反射し、コーナ
ーキューブ１４で反射した後、再び偏光ビームスプリッ
ター１２に戻り、ここで再度反射してλ／４板１３を通
過し、計測用のミラー９に至る。計測用のレーザ光１０
は計測用のミラー９で２回目の反射をした後、λ／４板
１３を通過し、偏光ビームスプリッター１２で到達す
る。
【００３６】一方レーザ光源１からのレーザ光のうち偏
光ビームスプリッター１２で反射偏光されたもう一方の
点線で示すレーザ光（基準レーザ光１０Ｓ）は順にλ／
４板１５を通過し、反射ミラー１６で反射し、再びλ／
４板１５に入射し、偏光状態を変えて、今度は偏光ビー
ムスプリッター１２を通過し、コーナーキューブ１４で
反射した後、再び偏光ビームスプリッター１２、λ／４
板１５を通過し、反射ミラー１６で反射し、再びλ／４
板１５を通過して偏光ビームスプリッター１２に至る。
【００３７】偏光ビームスプリッター１２に到達した基
準レーザ光１０Ｓと前述の計測用レーザ光１０はここで
干渉し、明暗信号となり、光電変換素子３に到達する。
以上が計測用ヘテロダイン方式のプレーンミラー干渉計
の一般的な光路である。
【００３８】本実施例では上記第１の計測用プレーンミ
ラー干渉計システムの光路の近傍に図１のように直接第
２光源手段としてのレーザ光源を含むヘテロダイン干渉
システムからのレーザ光を通過させるか、あるいは図４
に示すように付加的な光学系１０４を挿入して第２のレ
ーザ光源を含む第２干渉測長システムからのレーザ光を
第１の計測用プレーンミラー干渉計システムの光路の近
傍を通過させるように構成している。
【００３９】即ち発振波長を変化させ得る第２光源手段
としてのレーザ光源１７からのレーザ光１１を音響光学
素子１８で直交する２周波に変換し、プリズム１９及び
反射ミラー２０、コリメータレンズ２１、付加的な光学
系２２を介して計測用プレーンミラー干渉計の偏光ビー
ムスプリッター１２に入射させている。
【００４０】この計測用プレーンミラー干渉計に入射し
た発振波長を変化させ得る付加的なレーザ光１１も上記
第１の計測用レーザ光とほぼ同様な光路を通過し、干渉
した信号は光電変換素子５に達する。
【００４１】図６，図７は本発明の実施例３，４の一部
分の要部概略図である。図６の実施例３では第２光源手
段として発振波長が可変の固体レーザの代わりに発振波
長が一定のレーザ光源１７を用いている。そしてレーザ
光源１７からのレーザ光を音響光学素子１８で直交２周
波のレーザ光に変換し、ビームスプリッター２６ａで一
方のレーザ光を波長をシフトできる波長シフター２５を
介している。
【００４２】その後、２つのレーザ光６１ａ，６１ｂを
ビームスプリッター２６ｂで合波している。この他の構
成は図１の実施例１と同じである。
【００４３】図７の実施例９では第２光源手段としてレ
ーザ光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ１からのレーザ光をビ
ームスプリッター２６ａで２つに分割し、このうち一方
のレーザ光７１ａをミラー２０を介し波長シフター２５
に導光している。そして反射ミラー２０ｂ，２０でレー
ザ干渉計２に入射させている。また他方のレーザ光７１
ｂはそのままレーザ干渉計２に入射させている。
【００４４】本実施例ではこれにより直交する２周波の
レーザ光をレーザ干渉計２に入射させている。この他の
構成は図１の実施例１と同じである。
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば以上のように、第１干渉
測長システムに対して発振波長が変化する光源手段を有
し、第１の干渉測長システムの光学素子の一部を共用さ
せた第２干渉測長システムを第１干渉システムと光学素
子の一部或いは全てを共有させ、該第２干渉測長システ
ムで波長を種々と変えたときに得られる複数の距離情報
を利用することにより、干渉計と被測定物との間の空気
の屈折率（インデックス）が標準状態から変化してもそ
れより生じる測定誤差を補正し、距離情報を高精度に求
めることのできる干渉測長システムを構成することがで
きる。
【００４６】特に、測長に関係する光学素子の一部（例
えば、２）を第１，第２の干渉測長システムで共用して
いることから、光学素子自体の熱変形等に対しても誤差
を低減することが可能となる。加えて、コスト的にも有
利である、等の利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の要部概略図
【図２】図１の一部分の説明図
【図３】レーザ光源からの発振波長と測定された距離情
報との関係を示す説明図
【図４】本発明の実施例２の要部概略図
【図５】従来のレーザ干渉測長システムの説明図
【図６】本発明の実施例３の要部概略図
【図７】本発明の実施例４の要部概略図
【符号の説明】
１，５ レーザ光源（レーザヘッド） ２ レーザ干渉光学系 ３，６ 光電変換素子（レシーバ） ４，７ 距離を計算する為の回路 ８ 制御回路 ９ 計測用ミラー １０ 計測用レーザ光 １１ 補正値計測用レーザ光 １２ 偏光ビームスプリッター １３，１５ λ／４板（偏光光学素子） １４ コーナーキューブ １６，２０，２４ 反射ミラー １７ 発振波長可変のレーザ光源（レーザヘッド） １８ 音響光学素子（ＡＯＭ） １９ プリズム ２１ コリメーターレンズ ２２ 付加的な光学系（ビームベンダー） ２３ 低熱膨張材のミラーホルダー ２５ 波長シフター ２６ ビームスプリッター（無偏光タイプ）

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１光源手段からの光束を干渉計を介し
    て被測定物に導光し、該被測定物からの光束を該干渉計
    を介して得た干渉信号より第１演算回路で該干渉計から
    該被測定物までの距離情報を得る第１干渉測長システム
    と、発振波長が可変の第２光源手段からの光束を第１干
    渉システムの光学素子の一部或いは全てを共有させて導
    入し、該被測定物からの光束を該干渉計を介して得た干
    渉信号より第２演算回路で該干渉計から該被測定物まで
    の距離情報を得る構成により、該第２光源手段からの波
    長の異なる複数の光束を用いて複数の距離情報を得る第
    ２干渉測長システムとを有していることを特徴とする干
    渉測長システム。
  2. 【請求項２】 前記第１光源手段は一定波長のレーザ光
    を発振するレーザ光源であり、前記第２光源手段は固体
    レーザであることを特徴とする請求項１の干渉測長シス
    テム。
  3. 【請求項３】 前記第２光源手段は波長シフターを有し
    ていることを特徴とする請求項１の干渉測長システム。
  4. 【請求項４】 前記第２光源手段は音響光学素子を有
    し、直交２周波の光束を発振していることを特徴とする
    請求項１の干渉測長システム。
  5. 【請求項５】 前記第１，第２干渉測長システムはヘテ
    ロダイン干渉法を利用していることを特徴とする請求項
    １の干渉測長システム。
  6. 【請求項６】 第１光源手段からの光束を干渉計を介し
    て被測定物に導光し、該被測定物からの光束を該干渉計
    を介して得た干渉信号より第１演算回路で該干渉計から
    該被測定物までの距離情報を得る第１干渉測長システム
    と、発振波長が少なくとも２つ以上選択可能な複数の固
    体レーザを有する第２光源手段からの光束を第１干渉測
    長システムと同一の干渉計を介して該被測定物に導光
    し、該被測定物からの光束を該干渉計を介して得た干渉
    信号より第２演算回路で該干渉計から該被測定物までの
    距離情報を得る構成により、該第２光源手段から波長の
    異なる複数の光束を用いて複数の距離情報を得る第２干
    渉測長システムとを有していることを特徴とする干渉測
    長システム。
  7. 【請求項７】 前記第２光源手段は音響光学素子を有
    し、直交２周波の光束を発振していることを特徴とする
    請求項６の干渉測長システム。
  8. 【請求項８】 前記第１，第２干渉測長システムはヘテ
    ロダイン干渉法を利用していることを特徴とする請求項
    ６の干渉測長システム。
  9. 【請求項９】 前記第２光源手段は波長シフターを有し
    ていることを特徴とする請求項６の干渉測長システム。
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