JP3061160B2 - レーザ干渉変位測定装置 - Google Patents
レーザ干渉変位測定装置Info
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Description
定物の変位量を検出するレーザ干渉変位測定装置に係
り、特にマイケルソン型干渉計を用いたレーザ干渉変位
測定装置に関する。
位置決めを行う場合、光ヘッドを駆動させるモータに取
り付けたロータリエンコーダの出力、またはヘッドを搭
載したテーブル自体に取り付たガラススケールの出力に
よってヘッドの位置を検出し、この検出値をモータの駆
動回路にフィードバックするのが一般的であった。しか
し、ロータリエンコーダを用いた装置では、直線運動を
回転運動に変換して制御するため、制御系が複雑となる
ばかりでなく、高精度の制御が困難である。また、ガラ
ススケールは、長尺のものを製作するのが困難で、測定
できる長さに限りがあり、制御範囲が限られる欠点を有
していた。
イケルソン干渉計により被制御物体の移動量(変位量)
を計測するレーザ干渉測長器が開発されている。このマ
イケルソン干渉計型測長器は、図10に示したように、
レーザ光源10から出射したレーザ光(レーザビーム)
12をビームスプリッタ14によって直交した2つの方
向に分割し、その一方を固定鏡16に、他方を光ヘッド
を搭載したテーブルなどに設けた移動鏡18に導くよう
にしてある。固定鏡16と移動鏡18とに入射した光
は、それぞれビームスプリッタ14に向けて反射され、
ビームスプリッタ14において重ね合わされて干渉光2
0とされ、適宜の位置に配置した光センサ22によって
検出される。そして、光センサ22の出力信号によって
干渉光20の干渉縞を計数することにより、移動鏡18
の移動量を検出できるようになっている。
ビームスプリッタ14に戻ってきたビームは、移動鏡1
8が矢印24のように移動するのに伴って、ビームスプ
リッタ14と移動鏡18との間の光路長が変わるため、
固定鏡16からのビームに対して位相が変化し、固定鏡
16から反射されたビームと重ね合わされたときに干渉
光20を形成する。そして、光センサ22に投射された
干渉光20は、移動鏡18が移動するのに伴って強度
が、移動量に対して図11のように正弦的に変化する。
この干渉光20の強度(明暗)の変化は、ビームスプリ
ッタ14と固定鏡16、移動鏡18との間の光路差と、
レーザ光12の波長λとの関数として求めることができ
るため、光センサ22によって干渉光20の明暗の変化
を検出することにより、移動鏡18の移動量xを次式に
よって求めることができる。
の強度の一周期をひと山とする山の数である。
ルソン干渉計を利用した測長器は、移動鏡18が図10
の左右方向のいずれに移動しても干渉光20の強度が変
化するため、移動鏡18の移動量を求めることができた
としても、移動鏡18の移動方向を判別することができ
ず、またλ/2以上の分解能を得ることが困難である、
という欠点がある。
つのレーザ光を出射し、これら2つのレーザ光を重ね合
わせて振幅が周期的に変化する参照光を得るとともに、
これら2つのレーザ光の固定鏡と移動鏡とによって反射
した光を重ね合わせた干渉光を得、参照光と干渉光との
振幅の位相がλ/4となるようにして、移動鏡の移動方
向を判別できるようにするとともに、分解能の向上を図
ることが提案されている(特開平3−99203号公
報)。
スプリッタを用い、レーザ光を振動面が直交した2つの
偏光に分割し、分割した一方の偏光ビームの光路にλ/
4波長板などの位相ずれ発生手段を挿入し、相互に直交
した振動面を有する2つの偏光ビームの間にπ/2の位
相差を生じさせ、これら2つの偏光のそれぞれの干渉光
を検出して移動鏡の移動方向と移動量とを検出するよう
にしたものがある(特開昭61−215903号公報)
は特開昭61−215903号公報に記載のものは、2
つの光源を必要としたり、λ/4波長板などの位相差を
生じさせる部材をビームの光路に配置する必要があるな
ど、装置が複雑となる欠点を有している。
されたもので、λ/4波長板などを用いることなく、単
一波長のレーザ光によって位相の異なる2つの干渉光を
得ることができるレーザ干渉変位測定装置を提供するこ
とを目的としている。また、本発明は、単一波長のレー
ザ光を用いて、移動反射部の移動方向と移動量とを求め
ることができるようにすることを目的としている。ま
た、本発明は、分解能の向上を図ることを目的としてい
る。
めに、本発明に係るレーザ干渉変位測定装置は、単一波
長レーザ光を出射するレーザ光源と、このレーザ光源が
出射したレーザ光を2つの方向に分割するビームスプリ
ッタと、このビームスプリッタが分割した一方の分割ビ
ームが入射する固定反射部と、移動可能に設けられ、前
記ビームスプリッタが分割した他方の分割ビームが入射
する移動反射部と、この移動反射部と前記固定反射部と
が反射した前記各分割ビームが入射するとともに、これ
ら各ビームの一部を透過し、一部を反射して、各々の透
過光と反射光とを干渉させ、相互に位相の異なる第1干
渉光と第2干渉光とを発生する干渉光発生部と、前記第
1干渉光を検出する第1光検出部と、前記第2干渉光を
検出する第2光検出部と、この第2光検出部と前記第1
光検出部との検出信号に基づいて、前記移動反射部の移
動方向を検知する方向判別部と、前記第1光検出部と前
記第2光検出部との少なくともいずれか一方の検出信号
に基づいて、前記移動反射部の変位量を求める変位量演
算部とを有することを特徴としている。
方向に分割するビームスプリッタとして用いてもよい。
ビームスプリッタとしては、半透鏡(ハーフミラー)な
どの一般的な形状のものを用いることができる。そし
て、第1干渉光と第2干渉光とは、移動反射部の変化に
応じて変化する強度変化の位相が干渉波形の1/4位相
ずれることが望ましい。
光を2方向に分割するビームスプリッタと異なる第2ビ
ームスプリッタによって構成し、この第2ビームスプリ
ッタに、レーザ光を分割するビームスプリッタからの一
方の分割ビームと移動反射部が反射した分割ビームとを
入射し、1/4波長位相の異なる2つの干渉光を発生さ
せるようにできる。
反射されると、一般に位相が変わる。従って、光源が出
射した単一波長のレーザ光は、干渉光発生部において、
固定反射部から入射した光の透過光と移動反射部から入
射した光の反射光とによる干渉光(第1干渉光)と、固
定反射部から入射した光の反射光と移動反射部から入射
した透過光とによる干渉光(第2干渉光)との間に位相
差をつけることができる。そこで、これら各干渉光の強
度の変化の位相関係を検出することにより、移動反射部
の移動方向を知ることができる。
相が他方に対して進んでいるかによって、移動反射部が
ビームスプリッタから遠ざかっているのか、ビームスプ
リッタに近づいているのかを判断することができる。ま
た、強度変化(干渉縞)の数を計数することにより、移
動反射部の移動量を求めることができる。従って、λ/
4波長板などを用いることなく、単一波長のレーザ光か
ら位相の異なる2つの干渉光を得ることができるため、
装置の簡素化が図れる。特に、光学薄膜の材質や厚さな
どを適宜に選択することにより、第1干渉光と第2干渉
光との強度変化の位相差が干渉波形の1/4位相(1/
4波長)となるように構成すれば、分解能が向上して移
動反射部の変位量の検出精度および位置の検出精度を高
めることができる。
しい実施例を、添付図面に従って詳説する。図1は、本
発明の第1実施例に係る説明図である。
2を出射する。このレーザ光源30は、計測精度を確保
するために、発振周波数の安定度の高いものを使用する
ことが望ましい。レーザ光源30の前方には、ビームス
プリッタ34、36が配置してある。ビームスプリッタ
34は、後述するように干渉光を光センサに導くもので
ある。一方、ビームスプリッタ36は、レーザ光源30
からのレーザ光32を相互に直交した反射ビーム38と
透過ビーム40とに分割するとともに、干渉光発生部の
役割をなしている。
ーム38の出射方向前方には、反射ビーム38をビーム
スプリッタ36に送り返す固定反射部である固定鏡42
が設けてあり、透過ビーム40の出射方向前方には、透
過ビーム40をビームスプリッタ36に送り返す移動反
射部としての移動鏡44が矢印46のように移動可能に
設けてあって、ビームスプリッタ36がこれらの各鏡4
2、44によって反射されたビームに基づいて、第1の
干渉光48と第2の干渉光50とを発生する。このビー
ムスプリッタ36は、図2に示したように、通常のビー
ムスプリッタのように直角プリズム52、54を光学薄
膜(コーティング膜、蒸着膜)を介して組み合わせて構
成してある。ただし、この光学薄膜は、レーザ光32の
波長に対して光学的条件によって定められた所定の光学
特性を有し、反射ビーム38と透過ビーム40とから1
/4波長位相の異なる2つの干渉光が得られるようにし
てある。
に示したように、光が媒質1側から媒質2側に透過する
ときの振幅透過率がρt12 となっており、媒質2から媒
質1に透過したときの振幅透過率がρt21 となってい
る。また、ビームスプリッタ36は、媒質1側から光学
薄膜を有する45°面(反射面)に入射したときの振幅
反射率がρr1、媒質2側から45°面に入射したときの
振幅反射率がρr2となっている。さらに、媒質1側から
媒質2側に透過したときの光の位相遅れはβt12(ra
d)、媒質2側から媒質1側に透過したときの位相遅れ
はβt21 (rad)となっているとともに、媒質1側か
ら45°面に入射したときの反射による位相遅れがβr1
(rad)、媒質2側から45°面に入射したときの反
射による位相遅れがβr2(rad)となっている。
6に入射する第1干渉光48は、図2に示されるよう
に、固定鏡42で反射され、ビームスプリッタ36の媒
質1側から媒質2を透過したビームE1 と、移動鏡44
によって反射され、媒質2側から45°面に入射し、4
5°面によって反射されたビームE2 とから生成され
る。また、第2光検出部である第2光センサ58に入射
する第2干渉光50は、固定鏡42によって反射され、
媒質1側から45°面に入射し、45°面によって反射
されたビームE3 と、移動鏡44によって反射され、媒
質2側から媒質1側に透過したビームE4 とによって生
成される。そして、第2干渉光50は、ビームスプリッ
タ36からビームスプリッタ34に入射し、ビームスプ
リッタ34の45°面によって反射されて第2光センサ
58に入射するようになっている。
移動鏡44の移動(変位)に伴って変化する干渉光4
8、50の強度の変化に応じて検出信号を波形整形器6
0、62に出力する。そして、波形整形器60、62
は、センサ56、58の出力信号を矩形波に波形整形す
る。これらの波形整形器60、62の出力信号は、方向
判別器64と波形分割回路66とに入力するようにして
ある。方向判別器64は、各波形整形器60、62の出
力信号から移動鏡44の移動方向を検知し、アップダウ
ンカウンタからなる計数回路68にカウントアップ信号
またはカウントダウン信号を与える。また、波形分割回
路66は、波形整形器60、62の出力信号を受けて、
移動鏡44が干渉波形の1/4波長移動するごとにパル
スを計数回路68に出力する。そして、計数回路68の
計数値が変位量演算部となる距離演算回路70に入力す
るようになっていて、距離演算回路70が計数回路68
の計数値に基づいて求めた移動鏡44の位置を表示部7
2に表示するようにしてある。
とおりである。なお、以下の説明においては、ビームス
プリッタ36の表面における反射を無視し、固定鏡4
2、移動鏡44における反射率を100%、これらの鏡
における反射による位相遅れをα(rad)とする。
光32は、ビームスプリッタ34を透過してビームスプ
リッタ36に媒質1側から入射する。そして、レーザ光
32は、ビームスプリッタ36の45°面において一部
が反射され、反射ビーム38となって固定鏡42に入射
してビームスプリッタ36に向けて反射される。また、
レーザ光32の一部は、ビームスプリッタ36を媒質1
側から媒質2を透過した透過ビーム40となり、移動鏡
44に入射してビームスプリッタ36に向けて反射され
る。
38は、媒質1側から再びビームスプリッタ36に入射
し、一部が媒質2を透過して第1干渉光48を構成する
ビームE1 となり、一部が45°面で反射されて第2干
渉光50を構成するビームE3 となる。また、移動鏡4
4によって反射された透過ビーム40は、媒質2側から
ビームスプリッタ36に再度入射し、一部が45°面に
よって反射されて第1干渉光48を構成するビームE2
となり、一部が媒質1を透過して第2干渉光50を構成
するビームE4 となる。従って、各干渉光48、50を
構成する各ビームE1 、E2 、E3 、E4 は、ビームス
プリッタ36に入射するレーザ光32をφ0 exp(−
iωt)とすると、次のように表すことができる。
r1+βt12 +α)}
t12 +βr2+α+ωx )}
+α)}
βt12 +βt21 +α+ωx )} ただし、ここにωx は、移動鏡44が移動することによ
る位相遅れであり、レーザ光32の波長をλ、移動鏡4
4の移動量をxとすると、次の式によって表される。
干渉光50の強度P2 とは、
ρt21 2 )φ0 2×[1+2ρr1 2 ρt12 ρt21 /(ρ
r1 4 +ρt12 2 ρt21 2 )×cos{2(2π/λ)x
+(βt12 +βt21 −2βr1)}] と表される。
との位相差ψは、
r2は、ビームスプリッタ36の45°面のコーティング
層(光学薄膜)の光学的性質(例えば、複素屈折率、膜
厚、多層の場合の膜の構成等)により定まる値である。
従って、コーティング層を構成している膜の複素屈折率
や厚さ等を適宜に選択することにより、2つの干渉光4
8、50の強度の位相差ψを干渉波形の1/4波長とす
ることが可能であり、実施例の場合そのように構成して
ある。このため、例えば移動鏡44がビームスプリッタ
36より離れる方向に移動すると、第1干渉光48の強
度(A相)は、第2干渉光50の強度(B相)に対して
干渉波形の1/4波長進んだ変化を示す(図3(1)参
照)。
は、第1干渉光48、第2干渉光50の強度の変化を電
圧または電流の変化に変換し、干渉光の強度変化に対応
した電気信号を波形整形器60、62に入力する。波形
整形器60、62は、例えば第1光センサ56と第2光
センサ58とから入力してきた検出信号の極大値と極小
値との平均を閾値として図3(2)、(3)のように矩
形波に波形整形し、方向判別器64と波形分割回路66
とに入力する。
からの入力信号に基づいて、移動鏡44の移動方向を判
別し、計数回路68にカウントアップするかカウントダ
ウンするかの信号を入力する。すなわち、例えば移動鏡
44が図1の右方向に移動すると、図4(1)のように
A相がB相より干渉波形の1/4波長進むため、波形整
形器60、62から方向判別器64に入力する信号は図
4(2)のようになる。また、移動鏡44が図1の左方
向に移動すると、図4(3)のようにA相の強度変化が
B相より干渉波形の1/4波長遅れるため、方向判別器
64には図4(4)の信号が入力する。従って、方向判
別器64は、波形整形器60、62が出力した信号の位
相の進み具合を監視することにより、移動鏡44の移動
方向を判別することができる。
60、62の出力信号を受けると、例えば両者の排他的
論理和(Ex.OR)をとり、両矩形波信号の立ち上が
り時にパルスを発生して計数回路68に出力する(図3
(4)、(5)参照)。これにより、干渉光の強度変化
の1周期を4分割したことになる。
鏡44の移動方向を示す信号と、波形分割回路66から
のパルスを受けると、波形分割回路66からパルスが入
力するごとに計数値を1ずつ増加させ、または1ずつ減
少させて距離演算回路70に送出する。すなわち、計数
回路68は、例えば、移動鏡44が図1の右方向に移動
すると、方向判別器64からカウントアップ信号を受け
取って波形分割回路66の出力したパルスが入力するた
びに計数値を増加させる。また、計数回路68は、移動
鏡44が図1の左方向に移動すると、方向判別器64か
らカウントダウン信号を受け取り、波形分割回路66か
らパルスが入力するごとに計数値を減少させる。距離演
算回路70は、計数回路68が出力する計数値を予め与
えられている基準の位置からの距離に演算し、表示部7
2に表示するとともに、図示しない制御装置などに出力
する。そして、移動鏡44の基準位置からの移動量(変
位1)xは、次式によって求めることができる。
気回路における分割数(実施例の場合、n=4)、Nは
計数回路68による計数パルス数である。なお、計数回
路68として、電源がオフされても計数値を保持できる
ものを使用すれば、移動鏡44の絶対位置の測定が可能
となる。
ば、干渉光発生部となるビームスプリッタ36において
出射光に位相差を与えることにより、λ/4波長板等を
用いることなく、レーザ光源30の出射した単一波長の
レーザ光32から位相の異なる2つの干渉光48、50
が得られ、装置が簡素化できるとともに、移動鏡44の
移動方向の識別が可能となる。しかも、第1干渉光48
と第2干渉光50との移動鏡44の移動に伴う強度の変
化が干渉波形の1/4波長ずらせてあるため、分解能が
向上して測定精度の向上が図れる。
本実施例は、レーザ光源30が出射したレーザ光32を
反射ビーム38と透過ビーム40とに分割するビームス
プリッタ74に通常のビームスプリッタを用いるととも
に、このビームスプリッタ74が第1実施例の固定鏡4
2としての役割となしている。そして、ビームスプリッ
タ74が分割した反射ビーム38は、第1実施例のビー
ムスプリッタ36と同様に構成した第2のビームスプリ
ッタである干渉光発生部76に入射するようになってい
る。また、ビームスプリッタ74を透過した透過ビーム
40は、移動反射部となっているコーナキューブプリズ
ム78に入射し、反射されて干渉光発生部76に入力す
るようにしてある。そして、ビームスプリッタによって
構成した干渉光発生部76は、前記と同様に、強度変化
が干渉波形の1/4波長の位相差を有する第1干渉光4
8と第2干渉光50とを発生する。このように構成した
第2実施例においても、前記実施例と同様の効果を得る
ことができる。
本実施例は、干渉光発生部であるビームスプリッタ36
の透過ビーム40の出射側にコーナキューブプリズム
(第2反射部)80が設けてあり、透過ビーム40をビ
ームスプリッタ36に戻すことができるようにしてあ
る。また、ビームスプリッタ36の反射ビーム38の出
射側には、反射ビーム38に対して45度傾斜させた反
射鏡82が配置してあり、反射ビーム38を透過ビーム
40と同方向に反射できるようにしてある。そして、反
射鏡82によって反射された反射ビーム38は、支持部
材86を介してコーナキューブプリズム80と一体化し
たコーナキューブプリズム(第1反射部)84に入射
し、反射鏡82に送り返され、反射鏡82を介してビー
ムスプリッタ36に入射するようにしてある。また、コ
ーナキューブプリズム80とコーナキューブプリズム8
4とは、両者の取り付け間隔Lが所定の値に設定してあ
るとともに、支持部材86を介して矢印88のように一
体に回動できるようになっている。そして、ビームスプ
リッタ36は、前記したと同様にコーナキューブプリズ
ム80が反射したビームと、コーナキューブプリズム8
4が反射したビームとから第1干渉光48と第2干渉光
50とを発生する。
キューブプリズム80、84のビームスプリッタ36に
対する傾斜角度を検出することができる。すなわち、支
持部材86が例えば図6の時計方向に回動し、図7に示
したように、コーナキューブプリズム80、84がビー
ムスプリッタ36に対してθだけ傾斜したとすると、コ
ーナキューブプリズム80がビームスプリッタ36に正
対していたときに比較して、コーナキューブプリズム8
0側とコーナキューブプリズム84側とでxの光路差が
生ずる。そこで、L≫xでθが微小角度とすると、
コーナキューブプリズム80をビームスプリッタ36の
透過ビーム40の出射面に対向して配置し、コーナキュ
ーブプリズム84を反射ビーム38の出射面に対向して
配置するとともに、両コーナキューブプリズム80、8
4をアーム90、92などによって連結するようにして
もよい。
タとして直角プリズムを組み合わせたものを用いた場合
について説明したが、ビームスプリッタはハーフミラー
等であってもよい。また、前記実施例においては、第1
干渉光48と第2干渉光50との強度変化の位相差が干
渉波形の1/4波長である場合について説明したが、分
解能を必要としない場合には、両者の強度変化の位相差
を干渉波形の1/4波長にしなくともよい。そして、こ
の場合、第1干渉光48と第2干渉光50とのいずれか
一方に基づいて、移動鏡44の位置を求めるようにして
もよい。
る。図9に示した位置測定装置100は、図1の移動鏡
44を除いたものである。そして、移動鏡44は、モー
タ102によって回転するスクリューロッド104のナ
ット部材(図示せず)に結合させたキャリッジ106に
搭載してあり、スクリューロッド104に沿って図9の
左右方向に移動する。一方、位置測定装置100の距離
演算回路70が求めた移動鏡44の実測値X1 は、制御
装置の比較器108に入力される。この比較器108
は、移動鏡44の停止位置が指令値X0 として与えられ
ていて、指令値X0 と実測値X1 との偏差を求め、モー
タ102の駆動回路110に入力する。そして、駆動回
路110は、比較器108の出力する偏差が0となるよ
うにモータ102を駆動してキャリッジ106を介して
移動鏡44を移動させる。
ば、干渉光発生部の光学的性質を適宜に選択し、固定反
射部と移動反射部とから入射する2つの光のそれぞれの
透過光と反射光とを干渉させて相互に位相の異なる干渉
光を与えることにより、λ/4波長板や波長の異なる2
つのレーザ光を用いることなく、相互に位相の異なる第
1干渉光と第2干渉光とを発生することができる。従っ
て、これら各干渉光の強度の変化の位相関係を検出する
ことにより、移動反射部の移動方向を知ることができ
る。
ある。
法の説明図である。
である。
説明図である。
タ) 44、78 移動反射部(移動鏡、コーナキューブプ
リズム) 48 第1干渉光 50 第2干渉光 56 第1光検出部(第1光センサ) 58 第1光検出部(第2光センサ) 64 方向判別器 68 計数回路 70 変位量演算部(距離演算回路) 80 第2反射部(コーナキューブプリズム) 84 第1反射部(コーナキューブプリズム)
Claims (1)
- 【請求項1】 レーザ光源が出射した単一波長レーザ光
に基づいて、相互に位相の異なる2つの干渉光を得て移
動部の移動量と移動方向とを求めるレーザ干渉変位測定
装置において、 前記レーザ光源 が出射したレーザ光を2つの方向に分割
するビームスプリッタと、 このビームスプリッタが分割した一方の分割ビームが入
射する固定反射部と、 移動可能に設けられ、前記ビームスプリッタが分割した
他方の分割ビームが入射する移動反射部と、 この移動反射部と前記固定反射部とが反射した前記各分
割ビームが入射し、これらのビームに基づいて干渉光を
発生させる干渉光発生部とを有し、 前記干渉光発生部は、前記固定反射部と前記移動反射部
とにより反射された各ビームの一部を透過し、一部を反
射して、強度変化の位相が相互に1/4異なる第1干渉
光と第2干渉光とを発生する、前記レーザ光の波長に対
して光学的条件により定められた特性を有する光学薄膜
を備えている、 ことを特徴とするレーザ干渉変位測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5350644A JP3061160B2 (ja) | 1993-12-29 | 1993-12-29 | レーザ干渉変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5350644A JP3061160B2 (ja) | 1993-12-29 | 1993-12-29 | レーザ干渉変位測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07198317A JPH07198317A (ja) | 1995-08-01 |
JP3061160B2 true JP3061160B2 (ja) | 2000-07-10 |
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