JP2008051696A - 光軸偏向型レーザ干渉計、その校正方法、補正方法、及び、測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸偏向型レーザ干渉計の基準球に対する２軸回転機構の運動精度による光軸方向の誤差を補正するための変位計を特別な校正装置を準備すること無く、校正ができ、トレーサビリティを確保する。
【解決手段】測定の基準球３４と、測定対象１０に配設される再帰的反射手段１２と、該再帰的反射手段１２との距離を測定するレーザ干渉測長機２０と、前記基準球３４を中心として回動するための回動機構３０とを有し前記基準球３４の中心座標を基準とし前記回転機構３０に載ったレーザ干渉測長機２０からの出射光と戻り光の光軸が平行となる再帰的反射手段１２との距離を測定する光軸偏向型レーザ干渉計において、前記基準球３４とレーザ干渉測長機２０との相対運動による誤差を測定する変位計５０Ｒ、５０Ｌと前記レーザ干渉測長機２０と変位計５０Ｒ、５０Ｌの相対位置関係を保ったままで基準球３４に対して測定光軸方向に変位させる機構（５２）とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、測定の基準となる基準球と、測定対象に配設される再帰的反射手段と、該再帰的反射手段との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉測長機と、該レーザ干渉測長機の出射ビームを前記基準球を中心として回動するための回転機構とを有し、前記基準球の中心座標を基準とし、前記回転機構に載ったレーザ干渉測長機からの出射光と戻り光の光軸が平行となる再帰的反射手段との距離を測定する光軸偏向型レーザ干渉計、その校正方法、補正方法、及び、測定方法に関する。特に、特別な機材を用いること無く、長さ標準へのトレーサブリティを確保することが可能な光軸偏向型レーザ干渉計、その校正方法、補正方法、及び、測定方法に関する。

図１に例示する如く、測定対象１０に配設される再帰的反射手段（レトロリフレクタとも称する）１２に向けてレーザ干渉測長機２０からレーザビーム（測定光ビームと称する）２２を照射し、前記再帰的反射手段１２によって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して前記再帰的反射手段１２の変位を検出すると共に、２軸回転機構３０による前記測定光ビーム２２の光軸の位置の変化を用いて、トラッキングを行うようにした光軸偏向型レーザ干渉計（追尾式レーザ干渉計とも称する）が知られている。図において、２４は光源、３２は、２軸回転機構３０の偏向平面鏡である。

この光軸偏向型レーザ干渉計によれば、ターゲットとなる再帰的反射手段１２からの戻り光の情報に基づき、レーザ干渉測長機２０によって、装置からターゲットまでの距離を高精度に測定できる。

しかしながら、このような光軸偏向型レーザ干渉計においては、２軸回転機構３０の精度を、レーザ干渉測長の精度と同程度に高精度化することは技術的に困難である。特に、図１に示した光学系のように、測定光ビーム２２の方向を、例えば２軸回転機構３０に取り付けた平面鏡３２によって偏向する方式では、２軸回転機構３０の精度限界のみならず、平面鏡３２の回転中心に正確にビームを当てること自体が困難であり、高精度化の妨げとなっている。

そこで、特許文献１では、図２に示す如く、ターゲットとなる再帰的反射手段１２の測定に加え、２軸回転機構３０の中心に設置される基準球３４の表面とレーザ干渉測長機２０との相対変位についても、ターゲット（１２）に対して正反対方向に出射されたレーザビーム２６により測定することが記載されている。図において、３６は、２軸回転機構３０にレーザ干渉測長機２０を搭載するためのキャリッジ、４０は、基準球３４を固定するための支持具である。

ヨーロッパ特許 ＥＰ０９１９８３０Ａ２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光学系は、光軸の直角方向の回転誤差（ランアウト）に対して干渉波面の乱れや光量の減衰があり、更に、光路長変化の点において、必ずしもロバストでは無いことが明らかになっている。従って、２軸回転機構３０の回転精度について高コストな仕様を要求することとなる。又、レーザ干渉測長機２０の光量比の問題も含んでいる。即ち、レーザ干渉測長機２０は、内部に光路一定で固定された参照光ビームと、ターゲット（１２）へ向かい、そこから再帰的に戻ってきた測定光ビーム２２との位相差を測定する。従って、参照光と測定光との光量が著しく異なると、干渉縞のコントラストを十分には確保できず、結果として高精度な干渉測長を実施することができない。しかしながら、特許文献１の光学系では、測定光は、まず基準球３４に出射・反射され、その後に今度はターゲット（１２）に出射・反射される。こうして戻ってきた測定光の光量は著しく減衰しており、一般に減衰を受けにくい参照光の光量との差は大きな問題となる。

一方、出願人は特願２００５−２１６１１０（本件出願時未公開）で、図３に示すような光学系を提案している。この先行発明では、基準球３４に対する２軸回転機構３０の運動誤差を、レーザ干渉測長機２０の測定光ではなく、キャリッジ３６と一体に設けたキャリッジ３８に別途設置される変位計５０を用いて求めている。この先行発明によれば、基準球３４を参照した高精度な光軸偏向型レーザ干渉計の実現はもとより、光軸と直角方向の誤差成分に対するロバスト性が犠牲にならず、２軸回転機構３０への精度要求を大幅に緩和できる。更に、この先行発明によれば、レーザ干渉測長機２０の測定光をターゲット（１２）のみに出射するため、特許文献１の技術で問題となる測定光の減衰の問題も大幅に軽減される。

しかしながら、この先行発明では、基準球３４に対する２軸回転機構３０の光軸方向の運動誤差を検出するために、別途変位計５０を設置する必要がある。光軸偏向型レーザ干渉計は、長さ標準にトレーサブルな高精度な測定を実施することが期待されているので、この変位計５０のトレーサビリティを確保する技術が求められていた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、光軸偏向型レーザ干渉計の基準球に対する２軸回転機構の運動精度による光軸方向の誤差を補正するための変位計を、特別な校正装置を準備すること無く、稼動状態のマシン上で校正できるようにして、トレーサビリティを確保することを課題とする。

本発明は、光軸偏向型レーザ干渉計において、ターゲットの距離変化量を測定するためのレーザ干渉測長機、及び、その光軸と、校正する変位計、及び、その検出感度方向が、共に１つの直線上に配置されていることを利用したもので、測定の基準をなす基準球と、測定対象に配設される再帰的反射手段と、該再帰的反射手段との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉測長機と、該レーザ干渉測長機の出射ビームを前記基準球を中心として回動するための回転機構とを有し、前記基準球の中心座標を基準とし、前記回転機構に載ったレーザ干渉測長機からの出射光と戻り光の光軸が平行となる再帰的反射手段との距離を測定する光軸偏向型レーザ干渉計において、前記基準球とレーザ干渉測長機との相対運動による誤差を測定する変位計と、前記レーザー干渉測長機と変位計の相対位置関係を保ったままで、これらを基準球に対して測定光軸方向に変位させる機構と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、長さ標準にトレーサブルな前記レーザ干渉測長機の測定値のみを参照し、該レーザ干渉測長機との比較測定によって前記変位計の校正データを取得することを特徴とする前記光軸偏向型レーザ干渉計の校正方法を提供するものである。

又、前記レーザ干渉測長機との比較測定によって得た前記変位計の校正データを用いて、補正を実施することを特徴とする前記光軸偏向型レーザ干渉計の補正方法を提供するものである。

本発明は、更に、前記補正方法を用いて補正を実施することにより、長さ標準にトレーサブルに測定対象までの距離や変位を測定することを特徴とする光軸偏向型レーザ干渉計の測定方法を提供するものである。

本発明によれば、光軸偏向型レーザ干渉計の基準球に対する回転機構の運動精度による光軸方向の誤差を補正するための変位計を校正できる。そのための校正作業は、光軸偏向型レーザ干渉計の動作状態においてマシン上で容易に実施でき、変位計の校正の為に、特別な機材を準備する必要はない。これによって高精度な光軸偏向型レーザ干渉計を安価に実現することができる。

又、変位計の校正は、光軸偏向型レーザ干渉計が備える長さ標準にトレーサブルなレーザ干渉測長機の測定値のみを参照して実施されるので、校正される変位計も自動的に長さ標準にトレーサブルとなり、単に変位計の感度及び非線形誤差を補正するのみならず、長さ標準にトレーサブルな校正を実施することができる。従って、従来は困難であった長さ標準へのトレーサビリティを確保することができる。

この時、例えば６３３ｎｍの発振波長を持つＨｅ−Ｎｅ波長安定化レーザを光源として採用し、その発振波長（発振周波数）を上位基準であるヨウ素吸収線による波長安定化レーザとの比較測定によって校正しておけば、自動的に長さ標準にトレーサブルな変位計の校正を実現できる。又、これによって、光軸偏向型レーザ干渉計システム全体としてのトレーサビリティを確保することが、容易に且つ安価に実現できる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、特願２００５−２１６１１０で出願人が提案した、図３に示した先行発明に、更に、図４に示す如く、レーザ干渉測長機２０及び変位計５０Ｒ、５０Ｌを一体となす機構部品であるキャリッジ３６、３８と２軸回転機構３０の間に、測定光軸方向（矢印Ａに示す方向）への移動を可能とする直線移動機構５２を設けたものである。この直線移動機構５２による測定光軸方向の移動は、レーザ干渉測長機２０及び変位計５０Ｒ、５０Ｌを一体として行われる。

従って、変位計５０Ｒ、５０Ｌの校正を一旦実施すれば、図４のシステムは、基準球３４の中心座標を固定された基準とする光軸偏向型レーザ干渉計として動作することができる。

前記レーザ干渉測長機２０としては、例えば、マイケルソン干渉計を用いることができる。

前記基準球３４としては、例えば市販の金属製の球を使用することができる。この球は、工業的に広く使われており、安価である。なお、基準球３４は、金属製の他、セラミックス製、半導体製、ガラス製又は金属コーティングされた球を使用することもできる。但し、変位計として渦電流センサを使用する場合には、金属製か金属コーティングされた球を使用する必要がある。

前記変位計５０Ｒ、５０Ｌとしては、例えば静電容量式変位計や渦電流式変位計を用いることができる。これらの変位計は、センサの有効面積が埃や疵の大きさと比較して大きく、センサの横分解能が比較的低いので、基準球３４表面上の埃や疵の影響を受けにくい。なお、変位計として、ファイバセンサや各種接触式の変位センサを使用することもできる。この変位計は、本実施形態のように、基準球３４の両側に設けて、温度変動の影響を低減するようにすることができる。

本実施形態における変位の測定は、次のようにして行われる。

具体的には、位置の基準点として使用する、固定された基準球３４と再帰的反射手段１２との間の長さの変化量（変位）ΔＬは次式により算出する。

ΔＬ＝（ΔＬ_２−ΔＬ_３）／２＋ΔＬ_１ ・・・（１）

ここで、ΔＬ_１は、前記レーザ干渉測長機２０を用いて計測された、レーザ干渉測長機２０と再帰的反射手段１２との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。又、ΔＬ_２は、レーザ干渉測長機２０と基準球３４との間に設置された変位計５０Ｒと基準球３４の表面との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。又、ΔＬ_３は変位計５０Ｌと基準球３４の表面との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。

高精度な基準球３４の表面は、基準球３４の中心からの距離が高い精度で一定であるので、キャリッジ３８が基準球の中心を中心として回動した場合でも、基準球３４の中心を基準とした再帰的反射手段１２の変位を高精度に測定することができる。

なお、前記ΔＬ_１の測定は、再帰的反射手段１２を測定対象とした公知のマイケルソン干渉計による測定方法で測定することができ、特許文献１や特願２００５−２１６１１０に記載されているので、詳細な説明は省略する。

又、前記再帰的反射手段１２の自動的な追尾方法も、特許文献１や特願２００５−２１６１１０に記載されている方法と同じであるので、説明は省略する。

本発明による変位計の校正の為の一連の作業は、図５に示すように実施される。

以下、具体的に説明する。

（１）図４に示した如く、ターゲットとなる再帰的反射手段１２を、光軸偏向型レーザ干渉計の近辺に、例えば支持具１４により、簡便に固定する（ステップＳ１）。

（２）光軸偏向型レーザ干渉計の測定光ビーム２２を再帰的反射手段１２に当てる。

（３）変位計校正用変位の発生機構である直線移動機構５２を、図４に矢印Ａで示す方向に動作させて、校正用変位を与え（ステップＳ２）、その時のレーザ干渉測長機２０の測定値（ステップＳ３）及び変位計５０Ｒ、５０Ｌの測定値を記録する（ステップＳ４）。

データ取得が終了するまでステップＳ２〜Ｓ４を繰り返す。

（４）ステップＳ５でデータ取得が終了したと判定した時には、得られたデータにより、最小二乗法等によって、変位計５０Ｒ、５０Ｌの校正値を求め（ステップＳ６）、記録（ステップＳ７）する。

（５）求められた変位計の校正曲線を参照して、変位計の補正を実施する。

（６）図３に例示される如く、ターゲットとなる再帰的反射手段１２を測定対象１０に取り付けて測定を開始する（ステップＳ８）。

本実施形態においては、変位計５０Ｒ、５０Ｌを基準球３４の両側に設けているので、変位計出力の温度ドリフトを補償することができる。即ち、左右の変位計５０Ｒ、５０Ｌ出力の温度ドリフトの傾向が同じであれば、（１）式で求めた変位ΔＬは、変位計出力の温度ドリフトの影響を受けない。例えば、右側の変位計５０Ｒで計測した変化量ΔＬ_２に温度ドリフトによる誤差ΔＤが生じ、ΔＬ_２＋ΔＤとなったとする。左右の変位計５０Ｒと５０Ｌで温度ドリフトの傾向が等しいとすると、この時、左側の変位計５０Ｌで計測した変位量ΔＬ_３も温度ドリフトによる同じ誤差が生じ、ΔＬ_３＋ΔＤとなる。この時、ΔＬは、次式のようになるので、変位計の温度ドリフトの影響を受けない。

ΔＬ＝｛（ΔＬ_２＋ΔＤ）−（ΔＬ_３＋ΔＤ）｝／２＋ΔＬ_１
＝（ΔＬ_２−ΔＬ_３）／２＋ΔＬ_１ ・・・（２）

同様に、基準球３４が等方的に熱膨張する場合は、該基準球３４の熱膨張を補償する事ができる。

従って、変位計５０Ｒ、５０Ｌを基準球３４の両側に設けた場合には、温度変形にロバストなシステムを構築することができる。

本発明による校正の対象はΔＬ_２、ΔＬ_３又はその差（ΔＬ_２−ΔＬ_３）のいずれとすることもできる。

又、本実施形態の装置は、回転機構のランアウトに対しても非常にロバストである。即ち、基準球３４の周りをキャリッジ３８が回動する際、キャリッジ全体がレーザ干渉測長機２０の測定光の光軸方向に変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けない。

例えばキャリッジ全体が再帰的反射手段１２の向きにΔＤ変位したとする。このとき、ΔＬ_１はΔＬ_１−ΔＤとなり、ΔＬ_２はΔＬ_２＋ΔＤとなり、ΔＬ_３はΔＬ_３−ΔＤとなる。従って、ΔＬは、次式となる。

ΔＬ＝｛（ΔＬ_２＋ΔＤ）−（ΔＬ_３−ΔＤ）｝／２＋（ΔＬ_１−ΔＤ）
＝（ΔＬ_２−ΔＬ_３）／２＋ΔＬ_１ ・・・（３）

このように、キャリッジ３８が測定光の光軸方向に変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けない。

更に、基準球３４の周りをキャリッジ３８が回動する際に、キャリッジ全体が測定光の光軸と直交する方向に（直線的に）変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けない。まず、ΔＬ_１は、この変位の影響を受けない。レーザ干渉測長機２０が測定光の光軸と直交する方向に変位しても、レーザ干渉測長機２０と再帰的反射手段１２との往復の光路長は変化しないため、ΔＬ_１は、この変位の影響を受けない。これは、再帰的反射手段１２の性質によるものである。次に、変位計５０Ｒが測定光の光軸と直交する方向に変位し、ΔＬ_２の値がΔＥだけ大きくなるとすると、ΔＬ_３の値もΔＥだけ大きくなる。このとき、ΔＬは、次式となる。

ΔＬ＝｛（ΔＬ_２＋ΔＥ）−（ΔＬ_３−ΔＥ）｝／２＋ΔＬ_１
＝（ΔＬ_２−ΔＬ_３）／２＋ΔＬ_１ ・・・（４）

従って、キャリッジ全体が測定光の光軸と直交する方向に変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けない。

以上のように、本実施形態は、レーザ干渉測長機２０が測定光の光軸の方向に変位しても、測定光の光軸と直交する方向に変位しても、ΔＬは、これらの変位の影響を受けない。従って、本実施形態の装置は、回転機構のランアウトに対して非常にロバストである。

なお、例えば変位計を再帰的反射手段１２の側にのみ設けて、ΔＬを測定することも可能である。この場合、変位ΔＬは、次式を用いて算出する。

ΔＬ＝ΔＬ_２＋ΔＬ_１ ・・・（５）

ここで、ΔＬ_２及びΔＬ_１の定義は、（１）式と同じである。

この場合、変位計が１個で良いので、装置を安価に製作することができる。

光軸偏向型レーザ干渉計の光学系の一例を示す光路図 特許文献１に記載された光軸偏向型レーザ干渉計の光学系を示す光路図 出願人が特願２００５−２１６１１０で提案した光軸偏向型レーザ干渉計の光学系を示す光路図 本発明の実施形態の光学系を示す光路図 前記実施形態における変位計の校正手順を示す流れ図

符号の説明

１０…測定対象
１２…再帰的反射手段
２０…レーザ干渉測長機
３０…２軸回転機構
３４…基準球
３６、３８…キャリッジ
５０Ｒ、５０Ｌ…変位計
５２…直線移動機構

Claims (4)

1. 測定の基準をなす基準球と、
   測定対象に配設される再帰的反射手段と、
   該再帰的反射手段との距離の増減に応じて測定値を出力するレーザ干渉測長機と、
   該レーザ干渉測長機の出射ビームを前記基準球を中心として回動するための回転機構とを有し、
   前記基準球の中心座標を基準とし、前記回転機構に載ったレーザ干渉測長機からの出射光と戻り光の光軸が平行となる再帰的反射手段との距離を測定する光軸偏向型レーザ干渉計において、
   前記基準球とレーザ干渉測長機との相対運動による誤差を測定する変位計と、
   前記レーザー干渉測長機と変位計の相対位置関係を保ったままで、これらを基準球に対して測定光軸方向に変位させる機構と、
   を備えたことを特徴とする光軸偏向型レーザ干渉計。
2. 長さ標準にトレーサブルな前記レーザ干渉測長機の測定値のみを参照し、該レーザ干渉測長機との比較測定によって前記変位計の校正データを取得することを特徴とする請求項１に記載の光軸偏向型レーザ干渉計の校正方法。
3. 前記レーザ干渉測長機との比較測定によって得た前記変位計の校正データを用いて、補正を実施することを特徴とする請求項２に記載の光軸偏向型レーザ干渉計の補正方法。
4. 請求項３に記載の補正方法を用いて補正を実施することにより、長さ標準にトレーサブルに測定対象までの距離や変位を測定することを特徴とする光軸偏向型レーザ干渉計の測定方法。

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