JP2007057522A - Laser tracking interferometer - Google Patents

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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser tracking interferometer robust against running-out of a rotary mechanism, and hardly affected by a flaw and dust on a surface of a reference sphere. <P>SOLUTION: This laser tracking interferometer is provided with: the reference sphere 212 arranged fixedly, a carriage 214 constituted to rotate around the center of the reference sphere as the center; a laser interferometer 216 for outputting a displacement signal corresponding to a displacement of a retroreflector disposed on the carriage; displacement gages 218, 219 for outputting the displacement signal corresponding to a relative displacement between the reference sphere and the displacement gage; a data processor 250 for calculating a displacement of the retroreflector on the reference sphere, based on the displacement signals output from the displacement gages and the displacement signal output from the laser interferometer; a position detecting means 238 for outputting a position signal corresponding to a deviation amount, when a laser beam returned from the retroreflector to the laser interferometer is shifted to a direction orthogonal to an optical axis thereof; and a control means 252 for controlling the turn of the carriage to bring the deviation amount into zero, based on the position signal from the position detecting means. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、移動体を追尾しながら、該移動体の変位や位置を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計に係る。特に、被測定体であるレトロリフレクタに向けてレーザビームを照射し、該レトロリフレクタ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レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビーム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追尾式レーザ干渉計の改良に関する。   The present invention relates to a tracking laser interferometer for measuring the displacement and position of a moving body with high accuracy while tracking the moving body. In particular, the retroreflector that is the object to be measured is irradiated with a laser beam, the displacement of the retroreflector is detected using interference of the laser beam reflected in the return direction by the retroreflector, and the light of the laser beam is also detected. The present invention relates to an improvement of a tracking laser interferometer in which tracking is performed using a change in the position of an axis.

被測定体であるレトロリフレクタに向けてレーザビームを照射し、該レトロリフレクタ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レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビーム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追尾式レーザ干渉計が知られている。   A laser beam is irradiated toward a retroreflector that is an object to be measured, and the displacement of the retroreflector is detected using interference of the laser beam reflected in the return direction by the retroreflector, and the optical axis of the laser beam is A tracking laser interferometer that performs tracking using a change in position is known.

例えば特許文献１には、図１（全体構成）及び図２（レーザ干渉計の詳細構成）に示す如く、被測定体であるレトロリフレクタ１０と、基準球１２の中心Ｃとの相対的な変位を測定するための追尾式レーザ干渉計が記載されている。   For example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 1 (overall configuration) and FIG. 2 (detailed configuration of a laser interferometer), the relative displacement between the retroreflector 10 as the measurement object and the center C of the reference sphere 12 is disclosed. A tracking laser interferometer for measuring is described.

このレーザ干渉計は、基準球１２と、該基準球１２の中心Ｃを中心として回転するようにされたキャリッジ１４と、該キャリッジ１４上に設けられた、光源（図示省略）を含むレーザ干渉計１６と、測定光を基準球１２の中心Ｃ若しくは表面を焦点とするように集光する集光レンズ１８とを備えている。   This laser interferometer includes a reference sphere 12, a carriage 14 that rotates around the center C of the reference sphere 12, and a laser interferometer provided on the carriage 14 and a light source (not shown). 16 and a condensing lens 18 that condenses the measurement light so as to focus on the center C or the surface of the reference sphere 12.

このような構成において、図２に示す如く、光源から出射された光線は、光ファイバ２０及びコリメータレンズ２２を介して無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）２４に入射され、該ＮＰＢＳ２４により一部が反射され、偏光板２６及び光ファイバ２８を介して、光ファイバ内のクロストークを補償するための光参照計数信号として光検出器（図示省略）に導かれる。又、前記ＮＰＢＳ２４を透過した光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０により２つに分けられる。一方は、直進して、測定光との干渉光を得るための参照光となる。他方は、ＰＢＳ３０で反射され、１／４波長（λ／４）板３２及び前記集光レンズ１８を介して、測定光として前記基準球１２の中心Ｃ又は表面に向けて出射される。   In such a configuration, as shown in FIG. 2, the light emitted from the light source enters the non-polarizing beam splitter (NPBS) 24 through the optical fiber 20 and the collimator lens 22, and a part of the light is reflected by the NPBS 24. Through the polarizing plate 26 and the optical fiber 28, it is guided to a photodetector (not shown) as an optical reference count signal for compensating for crosstalk in the optical fiber. The light transmitted through the NPBS 24 is divided into two by a polarization beam splitter (PBS) 30. One goes straight and becomes reference light for obtaining interference light with the measurement light. The other is reflected by the PBS 30 and is emitted toward the center C or the surface of the reference sphere 12 as measurement light through the quarter wavelength (λ / 4) plate 32 and the condenser lens 18.

該基準球１２の表面で反射された測定光は、前記集光レンズ１８、λ／４板３２、ＰＢＳ３０、λ／４板３４、ＮＰＢＳ３６を経て、前記レトロリフレクタ１０に向かう。   The measurement light reflected from the surface of the reference sphere 12 passes through the condenser lens 18, the λ / 4 plate 32, the PBS 30, the λ / 4 plate 34, and the NPBS 36, and travels toward the retroreflector 10.

該レトロリフレクタ１０で反射した測定光は、レーザ干渉計１６に再び入射する。レーザ干渉計１６に入射した測定光の一部は、前記ＮＰＢＳ３６で反射され、位置検出器（ＰＳＤ）３８に入射する。又、残りの一部は、前記λ／４板３４、ＰＢＳ３０、偏光板４０、光ファイバ４２を経て、前記参照光と干渉して前記光検出器に入射する。   The measurement light reflected by the retroreflector 10 is incident on the laser interferometer 16 again. A part of the measurement light incident on the laser interferometer 16 is reflected by the NPBS 36 and enters a position detector (PSD) 38. The remaining part of the light passes through the λ / 4 plate 34, the PBS 30, the polarizing plate 40, and the optical fiber 42, interferes with the reference light, and enters the photodetector.

光検出器の出力は、入射した干渉光の干渉縞に応じて変化するので、該光検出器の出力を用いて、基準球１２の中心Ｃを基準としたレトロリフレクタ１０の変位を測定することができる。   Since the output of the photodetector changes according to the interference fringes of the incident interference light, the displacement of the retroreflector 10 with respect to the center C of the reference sphere 12 is measured using the output of the photodetector. Can do.

高精度な基準球１２の表面は、基準球１２の中心Ｃからの距離が高い精度で一定であるので、レーザ干渉計１６がレトロリフレクタ１０を追尾して基準球１２の中心Ｃの周りに回動した場合でも、基準球１２の中心Ｃを基準としたレトロリフレクタ１０の変位を、高精度に測定することができる。   Since the surface of the highly accurate reference sphere 12 has a constant distance from the center C of the reference sphere 12 with high accuracy, the laser interferometer 16 tracks the retroreflector 10 and rotates around the center C of the reference sphere 12. Even when it moves, the displacement of the retroreflector 10 with reference to the center C of the reference sphere 12 can be measured with high accuracy.

一方、レトロリフレクタ１０に対する追尾は、次のようにして行なわれる。即ち、レーザ干渉計１６に入射した測定光は、一部がＰＳＤ３８に入射するが、このＰＳＤ３８上の測定光の位置を常に一定するようにキャリッジ１４の位置を制御することにより、レトロリフレクタ１０を自動的に追尾することができる。これは、測定光の光軸と垂直な方向のレトロリフレクタ１０の変位に応じて、ＰＳＤ３８に入射する測定光の位置が変位することを利用しており、レトロリフレクタ１０が測定光の光軸と垂直な方向に変位すると、レトロリフレクタ１０から戻ってくる測定光の光軸が平行に変位することによる。   On the other hand, tracking of the retro reflector 10 is performed as follows. That is, a part of the measurement light incident on the laser interferometer 16 is incident on the PSD 38. By controlling the position of the carriage 14 so that the position of the measurement light on the PSD 38 is always constant, the retroreflector 10 is It can be automatically tracked. This utilizes the fact that the position of the measurement light incident on the PSD 38 is displaced according to the displacement of the retroreflector 10 in the direction perpendicular to the optical axis of the measurement light. When displaced in the vertical direction, the optical axis of the measurement light returning from the retroreflector 10 is displaced in parallel.

又、特許文献２には、図３に示す如く、基準となる逆反射体１０６と、ターゲットである逆反射体（レトロリフレクタ）１１０との相対的な変位を測定するための追尾式レーザ干渉計が記載されている。   Patent Document 2 discloses a tracking laser interferometer for measuring the relative displacement between a reference retroreflector 106 and a target retroreflector (retroreflector) 110 as shown in FIG. Is described.

このレーザ干渉計は、固定位置に配設された第１の逆反射体１０６と、移動体に配設された第２の逆反射体１１０と、前記第１の逆反射体１０６を中心に直交するＸ軸及びＹ軸の周りにそれぞれ回転自在な回転部１０８と、レーザ光源（図示省略）から発振されたレーザビームを前記回転部１０８の回動に拘わらず、該回転部１０８に導く手段と、前記回転部１０８に固定配設された複数の光学部品（λ／４板１４８、１６４、プリズム１５０、１５２、１５８、１６０、１６２、ＰＢＳ１５４）からなる光学系と、を備える。   This laser interferometer is orthogonal to the first retroreflector 106 disposed at a fixed position, the second retroreflector 110 disposed at the moving body, and the first retroreflector 106. A rotating unit 108 rotatable around the X axis and the Y axis, and means for guiding a laser beam oscillated from a laser light source (not shown) to the rotating unit 108 regardless of the rotation of the rotating unit 108. And an optical system composed of a plurality of optical components (λ / 4 plates 148, 164, prisms 150, 152, 158, 160, 162, PBS 154) fixedly disposed on the rotating unit 108.

この光学系は、回転部１０８に導かれたレーザビームをＰＢＳ１５４で分割し、分割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸と直交する光路を経由して前記第１の逆反射体１０６に入射させると共に、他方のレーザビームを前記光路の延長上に出射して前記第２の逆反射体１１０に入射させ、前記第１及び第２の逆反射体１０６、１１０からの反射光を、それぞれ得ることができるようにされている。   In this optical system, the laser beam guided to the rotating unit 108 is divided by the PBS 154, and one of the divided laser beams is incident on the first retroreflector 106 via an optical path orthogonal to the X axis. The other laser beam is emitted on the extension of the optical path and is incident on the second retroreflector 110 to obtain reflected light from the first and second retroreflectors 106 and 110, respectively. It has been made possible.

更に、前記光学系を介して得られる２つの反射光の干渉に基づいて、前記第２の逆反射体１１０の移動量を検出する検出部（図示省略）と、前記回転部１０８に固定配設され、前記第２の逆反射体１１０からの反射光の一部が入射され、前記第２の逆反射体１１０に入射するレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段としての４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）１１２と、該位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量がゼロになるように前記回転部１０８のＸ軸及びＹ軸周りの回転位置を制御する制御手段（図示省略）とを備えている。   Further, a detection unit (not shown) that detects the amount of movement of the second retroreflector 110 based on the interference of two reflected lights obtained through the optical system, and a fixed arrangement on the rotating unit 108 As a position detecting means for outputting a position signal corresponding to the amount of deviation of the laser beam incident on the second retroreflector 110, a part of the reflected light from the second retroreflector 110 is incident. Based on a quadrant photodiode (QPD) 112 and a position signal from the position detection means, a control means for controlling the rotational position of the rotating portion 108 around the X axis and the Y axis so that the deviation amount becomes zero. (Not shown).

又、特許文献３には、前記基準球の代わりに、干渉光学系の光路中に首振り運動光てこを設け、該首降り運動光てこの反射面の中心にレーザ光線を入射し、首振り運動光てこを制御することにより、その反射光線を任意の方向に変化可能とし、反射光線を計測対象であるレトロリフレクタに照射して追尾するようにした光線追尾式レーザ干渉測長器が記載されている。   Further, in Patent Document 3, instead of the reference sphere, a swing motion light lever is provided in the optical path of the interference optical system, the laser beam is incident on the center of the reflecting surface of the neck motion light, and the head swing is performed. A beam tracking laser interferometer is described in which the reflected light can be changed in any direction by controlling the moving light lever, and the reflected light is applied to the retroreflector to be measured for tracking. ing.

米国特許第６１４７７４８号明細書US Pat. No. 6,147,748 特許第２６０３４２９号公報Japanese Patent No. 2603429 特開２００２−９８５１０号公報JP 2002-98510 A

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、（１）測定光が基準球１２の中心Ｃを焦点とするように集光される場合は、回転機構のランアウト（回転機構が回転する際に回転機構上のある点が描く、実際の軌跡と理想的な軌跡との偏差）に対して影響を受け易いという問題点がある。即ち、回転機構のランアウトにより測定光の焦点の中心がＣの位置からずれると、光検出器から生じる信号のＳ／Ｎが悪くなり、変位測定が不可能になってしまう。このため、回転機構のランアウトの影響を受け易い。又、（２）基準球１２の表面を焦点とする場合は、基準球表面の疵や埃の影響を受け易く、特に、焦点の径が小さい程、小さな疵や埃の影響を受け易いという問題点を有する。   However, in the technique described in Patent Document 1, when the measurement light is condensed so as to focus on the center C of the reference sphere 12, the runout of the rotation mechanism (when the rotation mechanism rotates) There is a problem that it is easily affected by a deviation between an actual trajectory and an ideal trajectory drawn by a certain point on the rotation mechanism. That is, if the center of the focus of the measurement light is deviated from the position C due to the run-out of the rotation mechanism, the S / N of the signal generated from the photodetector is deteriorated and displacement measurement becomes impossible. For this reason, it is easily affected by the run-out of the rotation mechanism. Also, (2) when the surface of the reference sphere 12 is focused, there is a problem that the surface of the reference sphere 12 is easily affected by the soot and dust on the surface of the reference sphere. Has a point.

又、特許文献２の技術においても、基準球として、金属球や金属コートされたガラス球を使用する場合は、特許文献１と同様に、（１）基準球の中心を焦点とする場合、回転機構のランアウトに対してロバストでなく、（２）基準球の表面を焦点とする場合、基準球表面の疵や埃の影響を受け易いという問題点を有する。   Also in the technique of Patent Document 2, when a metal sphere or a metal-coated glass sphere is used as the reference sphere, as in Patent Document 1, (1) when the center of the reference sphere is focused, rotation is performed. (2) When focusing on the surface of the reference sphere instead of being robust against the mechanism runout, there is a problem that it is easily affected by wrinkles and dust on the surface of the reference sphere.

又、基準球として屈折率２．０の材質で作成された球を使用する場合は、上記（２）の問題点に加えて、そのような球が一般的には販売されていないので、基準球の価格が高く、入手が困難であるという問題点を有する。   In addition, when a sphere made of a material having a refractive index of 2.0 is used as a reference sphere, in addition to the problem (2), such a sphere is generally not sold. There is a problem that the price of the sphere is high and it is difficult to obtain it.

更に、特許文献３に記載の技術では、レーザビームの中心とミラーの回転中心とが一致していない場合、この誤差が測長の誤差の要因となるが、レーザビームの中心位置を高精度に測定することは困難なため、これをミラーの回転中心と高精度に一致させることは困難である。又、引っ張りばねの張力で鋼球と半球を加圧的に着座させているため、３点球面座の鋼球とミラーの半球部分との摩擦が大きくなってしまい、精密な制御が困難である。更に、高精度な球は製作が比較的容易であるが、高精度な半球は高価であり、半球形状のミラーの製作のコストが高くつくという問題点を有する。   Further, in the technique described in Patent Document 3, when the center of the laser beam and the rotation center of the mirror do not coincide with each other, this error causes a measurement error. However, the center position of the laser beam can be accurately determined. Since it is difficult to measure, it is difficult to make this coincide with the rotation center of the mirror with high accuracy. In addition, since the steel ball and hemisphere are seated in pressure by the tension of the tension spring, the friction between the steel ball of the three-point spherical seat and the hemispherical portion of the mirror is increased, and precise control is difficult. . Further, a high-precision sphere is relatively easy to manufacture, but a high-precision hemisphere is expensive, and there is a problem that the cost of manufacturing a hemispherical mirror is high.

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、回転機構のランアウトに対してロバストで、且つ、基準球表面の疵や埃の影響を受け難く、更に、比較的安価な基準球を使用することができる追尾式レーザ干渉計を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, is robust against the run-out of the rotating mechanism, is not easily affected by wrinkles and dust on the surface of the reference sphere, and is relatively inexpensive. An object of the present invention is to provide a tracking laser interferometer that can use a sphere.

本発明は、被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタ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レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビーム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追尾式レーザ干渉計において、固定配設された基準球と、該基準球の中心を中心として回動するようにされたキャリッジと、該キャリッジ上に設けられた、前記レトロリフレクタの変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計、及び、前記基準球と変位計との相対的な変位に応じた変位信号を出力する変位計と、該変位計が出力する変位信号と、レーザ干渉計が出力する変位信号とから、基準球を基準としたレトロリフレクタの変位を算出するデータ処理装置と、前記レトロリフレクタから反射されてレーザ干渉計に戻ってくるレーザビームが、その光軸と直交する方向にずれたとき、そのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号に基づいて、前記ずれ量がゼロになるようにキャリッジの回動を制御する制御手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。   The present invention detects the displacement of the retroreflector using the interference of the laser beam irradiated to the retroreflector that is the object to be measured and reflected in the return direction by the retroreflector, and the optical axis of the laser beam. In a tracking laser interferometer that performs tracking using a change in the position of the reference sphere, a fixedly arranged reference sphere, a carriage that rotates about the center of the reference sphere, A laser interferometer that outputs a displacement signal according to the displacement of the retroreflector, a displacement meter that outputs a displacement signal according to the relative displacement between the reference sphere and the displacement meter, and the displacement A data processing device for calculating the displacement of the retroreflector relative to a reference sphere from the displacement signal output by the meter and the displacement signal output by the laser interferometer; When the laser beam reflected from the reflector and returning to the laser interferometer deviates in a direction perpendicular to the optical axis, a position detection unit that outputs a position signal corresponding to the deviation amount, and a position detection unit from the position detection unit The above-mentioned problem is solved by providing a control means for controlling the rotation of the carriage so that the deviation amount becomes zero based on the position signal.

前記レーザ干渉計は、マイケルソン干渉計とすることができる。   The laser interferometer can be a Michelson interferometer.

前記変位計を、前記基準球の両側に設けて、温度変動の影響を受けないようにすることができる。   The displacement meters can be provided on both sides of the reference sphere so as not to be affected by temperature fluctuations.

前記変位計は、静電容量式変位計又は過電流式変位計とすることができる。   The displacement meter may be a capacitance displacement meter or an overcurrent displacement meter.

前記基準球は、金属製とすることができる。   The reference sphere can be made of metal.

前記位置検出手段は、４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）又は２次元位置検知形検出器（ＰＳＤ）とすることができる。   The position detection means may be a quadrant photodiode (QPD) or a two-dimensional position detection type detector (PSD).

本発明によれば、基準球と変位計の相対的な変位に応じた変位信号を出力する変位計をキャリッジ上に設けて、該変位計とレーザ干渉計を併用して距離を測定するようにしたので、回転機構のランアウトの影響を原理的に受けず、回転機構のランアウトに対して非常にロバストである。又、基準球表面にはレーサビームを照射しないので、基準球表面の疵や埃に対してロバストである。更に、比較的安価な基準球を使用することができる。   According to the present invention, a displacement meter that outputs a displacement signal corresponding to the relative displacement between the reference sphere and the displacement meter is provided on the carriage, and the distance is measured using the displacement meter and the laser interferometer in combination. Therefore, it is not influenced in principle by the runout of the rotation mechanism, and is very robust against the runout of the rotation mechanism. Further, since the laser beam is not irradiated on the surface of the reference sphere, it is robust against soot and dust on the surface of the reference sphere. Furthermore, a relatively inexpensive reference sphere can be used.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の第１実施形態は、図４（全体図）、図５（要部の斜視図）及び図６（干渉計部分の光路図）に示す如く、固定配設された基準球２１２と、該基準球２１２の中心Ｃを中心として回動するように設計されたキャリッジ２１４と、該キャリッジ２１４上に設けられた、被測定体であるレトロリフレクタ２１０の変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計２１６、及び、基準球２１２と変位計との相対的な変位に応じた変位信号を出力するための、レーザビームと同軸上に、且つ、基準球２１２を挟んで、その両側に対向するように配設された変位計２１８、２１９と、該変位計２１８、２１９が出力する変位信号と、前記レーザ干渉計２１６が出力する変位信号とから、基準球２１２を基準としたレトロリフレクタ２１０の変位を算出するデータ処理装置２５０（図５）と、前記レトロリフレクタ２１０から反射されてレーザ干渉計２１６に戻ってくるレーザビームが、その光軸と直交する方向に移動したとき、そのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段であるＱＰＤ２３８（図６）と、前記位置検出手段からの位置信号に基づいて、前記ずれ量がゼロになるようにキャリッジ２１４の回動を制御する制御手段であるＸ軸モータ２５２Ｘ及びＹ軸モータ２５２Ｙとを備えている。   As shown in FIG. 4 (overall view), FIG. 5 (perspective view of the main part) and FIG. 6 (optical path diagram of the interferometer part), the first embodiment of the present invention comprises a fixedly arranged reference sphere 212, A laser 214 that is designed to rotate around the center C of the reference sphere 212, and a laser that outputs a displacement signal corresponding to the displacement of the retroreflector 210, which is a measurement object, provided on the carriage 214. The interferometer 216 and the laser beam for outputting a displacement signal corresponding to the relative displacement between the reference sphere 212 and the displacement meter are concentric with the laser beam and opposed to both sides of the reference sphere 212. Of the retroreflector 210 based on the reference sphere 212 from the displacement meters 218 and 219 arranged in this manner, the displacement signals output from the displacement meters 218 and 219, and the displacement signals output from the laser interferometer 216. Calculate displacement When the laser beam reflected from the retroreflector 210 and returning to the laser interferometer 216 moves in the direction perpendicular to the optical axis, the position corresponding to the amount of deviation is obtained. Based on QPD 238 (FIG. 6), which is a position detection means for outputting a signal, and X, which is a control means for controlling the rotation of the carriage 214 so that the deviation amount becomes zero based on the position signal from the position detection means. A shaft motor 252X and a Y-axis motor 252Y are provided.

前記変位計２１８、２１９としては、例えば静電容量式変位計や渦電流式変位計を使用することができる。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２１２表面上の埃や疵の影響を受け難い。なお、変位計２１８、２１９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。   As the displacement meters 218 and 219, for example, capacitance displacement meters or eddy current displacement meters can be used. These displacement meters have a large sensor effective area compared to the size of dust and soot, and the lateral resolution of the sensor is relatively low, so that they are not easily affected by dust or soot on the surface of the reference sphere 212. As the displacement meters 218 and 219, fiber sensors and various contact displacement sensors can be used.

前記基準球２１２としては、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、特許文献２で用いられている屈折率２．０の材質で製作した球と比較して、圧倒的に安価である。なお、基準球２１２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、渦電流センサを変位センサとして使用する場合は、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。   As the reference sphere 212, a commercially available metal sphere can be used. This sphere is widely used industrially and is overwhelmingly cheap compared to a sphere made of a material having a refractive index of 2.0 used in Patent Document 2. The reference sphere 212 may be made of ceramic, semiconductor, glass, or metal-coated sphere in addition to metal. However, when using an eddy current sensor as a displacement sensor, it is necessary to use a metal or metal-coated sphere.

前記ＱＰＤ２３８は、二次元ＰＳＤであっても良い。   The QPD 238 may be a two-dimensional PSD.

図５において、２６０は、キャリッジ２１４をＹ軸周りに回動自在に支持する支持枠、２６２は、該支持枠２６０をＸ軸周りに回動自在に支持するベースであり、図６において、２２０は、光源（図示省略）からの光をレーザ干渉計２１６に入射するための光ファイバ、２２２はコリメータレンズ、２３０はＰＢＳ、２２６はλ／４板、２３６はＮＰＢＳ、２４０は偏光板、２７０は、参照光を反射するための平面鏡、２７２は、干渉光の強度を検出するための光検出器である。   5, 260 is a support frame that supports the carriage 214 so as to be rotatable around the Y axis, and 262 is a base that supports the support frame 260 so as to be rotatable around the X axis. Is an optical fiber for allowing light from a light source (not shown) to enter the laser interferometer 216, 222 is a collimator lens, 230 is a PBS, 226 is a λ / 4 plate, 236 is an NPBS, 240 is a polarizing plate, 270 is The plane mirror 272 for reflecting the reference light is a photodetector for detecting the intensity of the interference light.

以下、変位の測定方法を詳細に説明する。   Hereinafter, the displacement measuring method will be described in detail.

位置の基準点として使用する、固定された基準球２１２とレトロリフレクタ２１０との間の長さの変化量（変位）ΔＬは、次式により算出する。   The amount of change (displacement) ΔL in length between the fixed reference sphere 212 and the retroreflector 210 used as a position reference point is calculated by the following equation.

ΔＬ＝（ΔＬ2−ΔＬ3）／２＋ΔＬ1 …（１） ΔL = (ΔL 2 −ΔL 3 ) / 2 + ΔL 1 (1)

ここで、ΔＬ1は、前記レーザ干渉計２１６を用いて計測された、レーザ干渉計２１６とレトロリフレクタ２１０との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。又、ΔＬ2は、レーザ干渉計２１６と基準球２１２との間に設置された変位計２１８と基準球２１２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、ΔＬ3は、変位計２１９と基準球２１２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。 Here, ΔL 1 is the relative displacement between the laser interferometer 216 and the retroreflector 210 (the direction in which the distance increases is defined as +) measured using the laser interferometer 216. ΔL 2 is the relative displacement between the displacement meter 218 installed between the laser interferometer 216 and the reference sphere 212 and the surface of the reference sphere 212 (the direction in which the distance increases is defined as +). ΔL 3 is the relative displacement between the displacement meter 219 and the surface of the reference sphere 212 (the direction in which the distance increases is defined as +).

高精度な基準球２１２の表面は、基準球２１２の中心Ｃからの距離が高い精度で一定であるので、キャリッジ２１４がＣを中心として回動した場合でも、基準球２１２の中心Ｃを基準としたレトロリフレクタ２１０の変位を高精度に測定することができる。   Since the distance from the center C of the reference sphere 212 is constant with high accuracy, the surface of the high-precision reference sphere 212 is constant with the center C of the reference sphere 212 as the reference even when the carriage 214 rotates about C. The displacement of the retroreflector 210 can be measured with high accuracy.

前記ΔＬ1の測定は、図６に示した如く、レトロリフレクタ２１０を被測定体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る。 As shown in FIG. 6, the ΔL 1 can be measured by a measurement method using a known Michelson interferometer in which the retroreflector 210 is an object to be measured.

即ち、図に示さない光源から光ファイバ２２０に入射させ、コリメータレンズ２２２から出射された光線は、一部が参照光として使用され、残部が測定光として使用される。   That is, a part of the light beam that is incident on the optical fiber 220 from a light source (not shown) and emitted from the collimator lens 222 is used as reference light, and the remaining part is used as measurement light.

参照光は、ＰＢＳ２３０を透過し、平面鏡２７０で反射され、ＰＢＳ２３０で反射されて光検出器２７２に向かう。   The reference light passes through the PBS 230, is reflected by the plane mirror 270, is reflected by the PBS 230, and travels toward the photodetector 272.

一方、ＰＢＳ２３０で最初に反射された測定光は、レトロリフレクタ２１０に向かう。該レトロリフレクタ２１０で反射した測定光は、レーザ干渉計２１６に戻って入射し、その一部はＮＰＢＳ２３６で反射されてＱＰＤ２３８に入射する。又、ＮＰＢＳ２３６を透過した測定光は、前記参照光と干渉して光検出器２７２に入射する。   On the other hand, the measurement light first reflected by the PBS 230 goes to the retro reflector 210. The measurement light reflected by the retroreflector 210 returns to the laser interferometer 216 and enters, and a part of the measurement light is reflected by the NPBS 236 and enters the QPD 238. Further, the measurement light transmitted through the NPBS 236 interferes with the reference light and enters the photodetector 272.

該光検出器２７２の出力は、入射した干渉光の干渉縞の強度に応じて変化するので、該光検出器２７２の出力を用いて、レーザ干渉計２１６とレトロリフレクタ２１０との相対的な変位ΔＬ1を測定することができる。 Since the output of the photodetector 272 changes according to the intensity of the interference fringes of the incident interference light, the relative displacement between the laser interferometer 216 and the retroreflector 210 is determined using the output of the photodetector 272. ΔL 1 can be measured.

又、前記レトロリフレクタ２１０の自動的な追尾は、特許文献１や２に示された方法と同じ方法で行なわれる。   Further, the automatic tracking of the retroreflector 210 is performed by the same method as disclosed in Patent Documents 1 and 2.

即ち、レーザ干渉計２１６に入射した測定光は、一部がＱＰＤ２３８に入射するが、このＱＰＤ２３８上の測定光の位置を、いつも一定とするように、モータ２５２Ｘ、Ｙを回転してキャリッジ２１４の位置を制御することにより、レトロリフレクタ２１０を自動的に追尾することができる。これは、測定光の光軸に対し垂直な方向のレトロリフレクタ２１０の変位に応じて、ＱＰＤ２３８に入射する測定光の位置が変位することを利用している。即ち、レトロリフレクタ２１０が測定光の光軸に対して垂直な方向に変位すると、レトロリフレクタ２１０から戻ってくる測定光の光軸が平行に変位するので、ＱＰＤ２３８からデータ処理装置２５０に出力される位置信号を、いつも一定とするようにＸ軸モータ２５２Ｘ及びＹ軸モータ２５２Ｙを駆動することにより、レトロリフレクタ２１０を自動的に追尾する。   That is, part of the measurement light incident on the laser interferometer 216 is incident on the QPD 238. The motors 252X and Y are rotated so that the position of the measurement light on the QPD 238 is always constant. By controlling the position, the retro-reflector 210 can be automatically tracked. This utilizes the fact that the position of the measurement light incident on the QPD 238 is displaced according to the displacement of the retroreflector 210 in the direction perpendicular to the optical axis of the measurement light. That is, when the retroreflector 210 is displaced in a direction perpendicular to the optical axis of the measurement light, the optical axis of the measurement light returning from the retroreflector 210 is displaced in parallel, and is output from the QPD 238 to the data processing device 250. The retroreflector 210 is automatically tracked by driving the X-axis motor 252X and the Y-axis motor 252Y so that the position signal is always constant.

本実施形態において、変位計２１８、２１９を基準球２１２の両側に設けているのは、変位計２１８、２１９の温度ドリフトを補償するためである。即ち、変位計２１８と２１９で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、変位計の温度ドリフトの影響を受けない。例えば、変位計２１８で計測した変化量ΔＬ2に温度ドリフトによる誤差ΔＤが生じ、ΔＬ2＋ΔＤとなったとする。変位計２１８と２１９で温度ドリフトの傾向が等しいとすると、このとき、変位計２１９で計測した変位量ΔＬ3も温度ドリフトによる同じ誤差が生じ、ΔＬ3＋ΔＤとなる。このとき、ΔＬは、次式のようになるので、ΔＬは変位計の温度ドリフトの影響を受けない。 In the present embodiment, the displacement meters 218 and 219 are provided on both sides of the reference sphere 212 in order to compensate for the temperature drift of the displacement meters 218 and 219. That is, if the displacement drifts 218 and 219 have the same temperature drift tendency, the displacement ΔL obtained by the equation (1) is not affected by the temperature drift of the displacement gauge. For example, it is assumed that an error ΔD due to temperature drift occurs in the change amount ΔL 2 measured by the displacement meter 218 and becomes ΔL 2 + ΔD. Assuming that the temperature drift tendency is the same between the displacement gauges 218 and 219, the displacement ΔL 3 measured by the displacement gauge 219 also has the same error due to the temperature drift, and becomes ΔL 3 + ΔD. At this time, since ΔL is expressed by the following equation, ΔL is not affected by the temperature drift of the displacement meter.

ΔＬ＝｛ΔＬ2＋ΔＤ−（ΔＬ3＋ΔＤ）｝／２＋ΔＬ1
＝（ΔＬ2−ΔＬ3）／２＋ΔＬ1 …（２） ΔL = {ΔL 2 + ΔD− (ΔL 3 + ΔD)} / 2 + ΔL 1
= (ΔL 2 −ΔL 3 ) / 2 + ΔL 1 (2)

同様に、基準球２１２が等方的に熱膨張する場合は、該基準球２１２の熱膨張を補償することができる。   Similarly, when the reference sphere 212 isotropically expands thermally, the thermal expansion of the reference sphere 212 can be compensated.

従って、変位計２１８、２１９を基準球２１２の両側に設けた場合には、温度変動にロバストなシステムを構築することができる。   Therefore, when the displacement meters 218 and 219 are provided on both sides of the reference sphere 212, a system that is robust against temperature fluctuations can be constructed.

次に、本実施形態の装置が、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ことを示す。   Next, it will be shown that the apparatus of the present embodiment is very robust against the runout of the rotating mechanism.

基準球２１２の周りをキャリッジ２１４が回動する際、キャリッジ全体がレーザ干渉計２１６の測定光の光軸方向（図４、５のＺ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。即ち、例えばキャリッジ全体がレトロリフレクタ２１０の向きにΔＤ変位したとする。このとき、ΔＬ1はΔＬ1−ΔＤとなり、ΔＬ2はΔＬ2＋ΔＤとなり、ΔＬ3はΔＬ3−ΔＤとなる。従って、ΔＬは、次式となる。 When the carriage 214 rotates around the reference sphere 212, even if the entire carriage is displaced in the optical axis direction of the measurement light of the laser interferometer 216 (Z direction in FIGS. 4 and 5), the calculated ΔL is Unaffected by displacement. That is, for example, it is assumed that the entire carriage is displaced by ΔD in the direction of the retro reflector 210. At this time, ΔL 1 becomes ΔL 1 −ΔD, ΔL 2 becomes ΔL 2 + ΔD, and ΔL 3 becomes ΔL 3 −ΔD. Therefore, ΔL becomes the following equation.

ΔＬ＝｛（ΔＬ2＋ΔＤ）−（ΔＬ3−ΔＤ）｝／２＋（ΔＬ1−ΔＤ）
＝（ΔＬ2−ΔＬ3）／２＋ΔＬ1 …（３） 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２１４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。   Thus, even if the carriage 214 is displaced in the optical axis direction of the measurement light, the calculated ΔL is not affected by this displacement.

次に、基準球２１２の周りをキャリッジ２１４が回動する際、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ことを示す。まずΔＬ1は、この変位の影響を受けない。レーザ干渉計２１６が測定光の光軸と直交する方向に変位しても、レーザ干渉計２１６とレトロリフレクタ２１０との往復の光路長は変化しないため、ΔＬ1は、この変位の影響を受けない。これは、レトロリフレクタ２１０の性質によるものである。次に、変位計２１８が測定光の光軸と直交する方向に変位し、ΔＬ2の値がΔＥだけ大きくなるとすると、ΔＬ3の値もΔＥだけ大きくなる。このとき、ΔＬは、次式となる。 Next, when the carriage 214 rotates around the reference sphere 212, even if the entire carriage is displaced (linearly) in a direction orthogonal to the optical axis of the measurement light, the calculated ΔL is influenced by this displacement. Indicates not to receive. First, ΔL 1 is not affected by this displacement. Even if the laser interferometer 216 is displaced in a direction perpendicular to the optical axis of the measurement light, the optical path length of the laser interferometer 216 and the retroreflector 210 is not changed, so that ΔL 1 is not affected by this displacement. . This is due to the nature of the retro reflector 210. Next, if the displacement meter 218 is displaced in the direction orthogonal to the optical axis of the measurement light and the value of ΔL 2 is increased by ΔE, the value of ΔL 3 is also increased by ΔE. At this time, ΔL becomes the following equation.

ΔＬ＝｛（ΔＬ2＋ΔＥ）−（ΔＬ3＋ΔＥ）｝／２＋ΔＬ1
＝（ΔＬ2−ΔＬ3）／２＋ΔＬ1 …（４） 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ことが分かる。   Therefore, even if the entire carriage is displaced in the direction perpendicular to the optical axis of the measurement light, it can be seen that the calculated ΔL is not affected by this displacement.

以上説明したように、レーザ干渉計２１６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。   As described above, even if the laser interferometer 216 is displaced in the direction of the optical axis of the measurement light or in the direction orthogonal to the optical axis of the measurement light, ΔL is not affected by these displacements. . Therefore, the apparatus of this embodiment is very robust against the runout of the rotation mechanism.

次に、本発明の第２実施形態の主要部を図７に示す。   Next, the main part of the second embodiment of the present invention is shown in FIG.

この第２実施形態では、基準球２１２のレトロリフレクタ２１０側にのみ変位計２１８を設けて、ΔＬを測定するようにしている。変位ΔＬは、次式を用いて算出する。   In the second embodiment, a displacement meter 218 is provided only on the retroreflector 210 side of the reference sphere 212 to measure ΔL. The displacement ΔL is calculated using the following equation.

ΔＬ＝ΔＬ2＋ΔＬ1 …（５） ΔL = ΔL 2 + ΔL 1 (5)

ここで、ΔＬ2及びΔＬ1の定義は、第１実施形態と同じである。 Here, the definitions of ΔL 2 and ΔL 1 are the same as those in the first embodiment.

本実施形態によれば、変位計が１個でよいので、装置を安価に製作することができる。   According to the present embodiment, since only one displacement meter is required, the apparatus can be manufactured at low cost.

なお、本実施形態では、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）変位した場合、ΔＬ2に生じる誤差が、そのままΔＬに加算されてしまうが、従来技術のうち、基準球１２の中心Ｃを焦点とする特許文献１の場合と比較すれば、レーザ干渉計が出力する変位信号のＳ／Ｎが悪くなって、測定不能になるようなことはないので、回転機構のランアウトに対して、ロバストである。 In this embodiment, when the entire carriage is displaced (linearly) in a direction orthogonal to the optical axis of the measurement light, an error generated in ΔL 2 is added to ΔL as it is. Compared with the case of Patent Document 1 in which the center C of the reference sphere 12 is the focus, the S / N of the displacement signal output from the laser interferometer is not deteriorated and measurement is not disabled. Robust against run-out.

特許文献１に記載された追尾式レーザ干渉計の主要構成を示す断面図Sectional drawing which shows the main structures of the tracking type laser interferometer described in patent document 1 同じく干渉計部分の詳細構成を示す光路図Optical path diagram showing detailed configuration of the interferometer 特許文献２に記載された追尾式レーザ干渉計の主要構成を示す光路図Optical path diagram showing main configuration of tracking laser interferometer described in Patent Document 2 本発明の第１実施形態の主要構成を示す断面図Sectional drawing which shows the main structures of 1st Embodiment of this invention 同じく斜視図Same perspective view 同じく干渉計部分を示す光路図Optical path diagram showing the interferometer part 本発明の第２実施形態の主要構成を示す断面図Sectional drawing which shows the main structures of 2nd Embodiment of this invention

符号の説明Explanation of symbols

２１０…レトロリフレクタ（被測定体）
２１２…基準球
２１４…キャリッジ
２１６…レーザ干渉計
２１８、２１９…変位計
２２２…コリメータレンズ
２３０…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２３６…無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）
２３８…４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）
２４０…偏光板
２５０…データ処理装置
２５２Ｘ…Ｘ軸モータ
２５２Ｙ…Ｙ軸モータ
２６０…支持枠
２６２…ベース
２７０…平面鏡
２７２…光検出器 210: Retro reflector (object to be measured)
212 ... reference sphere 214 ... carriage 216 ... laser interferometer 218, 219 ... displacement meter 222 ... collimator lens 230 ... polarizing beam splitter (PBS)
236 ... Non-polarizing beam splitter (NPBS)
238: Quadruple photodiode (QPD)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 240 ... Polarizing plate 250 ... Data processing device 252X ... X-axis motor 252Y ... Y-axis motor 260 ... Support frame 262 ... Base 270 ... Plane mirror 272 ... Optical detector

Claims (6)

被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタ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レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビーム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追尾式レーザ干渉計において、
固定配設された基準球と、
該基準球の中心を中心として回動するようにされたキャリッジと、
該キャリッジ上に設けられた、前記レトロリフレクタの変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計、及び、前記基準球と変位計との相対的な変位に応じた変位信号を出力する変位計と、
該変位計が出力する変位信号と、レーザ干渉計が出力する変位信号とから、基準球を基準としたレトロリフレクタの変位を算出するデータ処理装置と、
前記レトロリフレクタから反射されてレーザ干渉計に戻ってくるレーザビームが、その光軸と直交する方向にずれたとき、そのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段と、
該位置検出手段からの位置信号に基づいて、前記ずれ量がゼロになるようにキャリッジの回動を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする追尾式レーザ干渉計。 Irradiate the retroreflector that is the object to be measured, detect the displacement of the retroreflector using the interference of the laser beam reflected in the return direction by the retroreflector, and change the position of the optical axis of the laser beam In a tracking laser interferometer that performs tracking using
A fixedly arranged reference sphere;
A carriage adapted to rotate about the center of the reference sphere;
A laser interferometer provided on the carriage for outputting a displacement signal corresponding to the displacement of the retroreflector, and a displacement meter for outputting a displacement signal corresponding to the relative displacement between the reference sphere and the displacement meter; ,
A data processing device that calculates the displacement of the retroreflector relative to the reference sphere from the displacement signal output by the displacement meter and the displacement signal output by the laser interferometer;
Position detecting means for outputting a position signal corresponding to the amount of deviation when the laser beam reflected from the retroreflector and returned to the laser interferometer is displaced in a direction perpendicular to the optical axis;
Control means for controlling the rotation of the carriage based on a position signal from the position detection means so that the deviation amount becomes zero;
A tracking laser interferometer characterized by comprising: 前記レーザ干渉計が、マイケルソン干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。   The tracking laser interferometer according to claim 1, wherein the laser interferometer is a Michelson interferometer. 前記変位計が、前記基準球の両側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。   The tracking type laser interferometer according to claim 1, wherein the displacement meter is provided on both sides of the reference sphere. 前記変位計が、静電容量式変位計又は過電流式変位計であることを特徴とする請求項１又は３に記載の追尾式レーザ干渉計。   The tracking laser interferometer according to claim 1, wherein the displacement meter is a capacitance displacement meter or an overcurrent displacement meter. 前記基準球が金属製であることを特徴とする請求項１又は３に記載の追尾式レーザ干渉計。   The tracking laser interferometer according to claim 1 or 3, wherein the reference sphere is made of metal. 前記位置検出手段が、４分割フォトダイオード又は２次元ＰＳＤであることを特徴とする請求項１又は３に記載の追尾式レーザ干渉計。   The tracking laser interferometer according to claim 1 or 3, wherein the position detection means is a four-division photodiode or a two-dimensional PSD.
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