JP3374505B2 - レーザ干渉測長装置およびその測長誤差補正方法 - Google Patents
レーザ干渉測長装置およびその測長誤差補正方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の干渉を利用
した高精度な測長装置に関するものである。
した高精度な測長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、精密加工あるいは精密計測に用い
られるステージなどの高精度位置測定あるいは高精度位
置決めに、レーザ干渉式の測長装置が広く用いられてい
る。図３は、従来広く用いられているマイケルソン型干
渉計によるレーザ測長装置の概略図である。以下、図を
参照しながらその動作を説明する。
られるステージなどの高精度位置測定あるいは高精度位
置決めに、レーザ干渉式の測長装置が広く用いられてい
る。図３は、従来広く用いられているマイケルソン型干
渉計によるレーザ測長装置の概略図である。以下、図を
参照しながらその動作を説明する。
【０００３】光源１から出射されたレーザ光束は、ビー
ムスプリッタ２により、２つの光束Ａ、Ｂに分離され、
それそれ移動ステージ３上に設けられた移動鏡４および
前記ビームスプリッタに対して固定された固定鏡５に向
かう。以後、光束Ａを測長光、光束Ｂを参照光と称す。
それぞれ移動鏡４および固定鏡５で折り返された測長光
および参照光は、再びビームスプリッタ２上で重なり、
干渉を起こす。光源１、ビームスプリッタ２、固定鏡
５、検出器６は、相互に固定した位置関係にある。検出
器６にはケーブルを介して電気処理および表示を行なう
処理表示装置１３が接続される。処理表示装置１３によ
り、検出器６の検出結果に基づき測長結果が算出され、
ユーザに対して可視表示される。なお、この例では、移
動鏡４および固定鏡５にコーナーキューブプリズムを使
用している。
ムスプリッタ２により、２つの光束Ａ、Ｂに分離され、
それそれ移動ステージ３上に設けられた移動鏡４および
前記ビームスプリッタに対して固定された固定鏡５に向
かう。以後、光束Ａを測長光、光束Ｂを参照光と称す。
それぞれ移動鏡４および固定鏡５で折り返された測長光
および参照光は、再びビームスプリッタ２上で重なり、
干渉を起こす。光源１、ビームスプリッタ２、固定鏡
５、検出器６は、相互に固定した位置関係にある。検出
器６にはケーブルを介して電気処理および表示を行なう
処理表示装置１３が接続される。処理表示装置１３によ
り、検出器６の検出結果に基づき測長結果が算出され、
ユーザに対して可視表示される。なお、この例では、移
動鏡４および固定鏡５にコーナーキューブプリズムを使
用している。
【０００４】干渉したレーザ光は、移動鏡４の移動に応
じて明暗を繰り返すため、この干渉光を検出器６で受
け、明暗を計数することにより、移動鏡４すなわちステ
ージ３の移動距離を測定することができる。図３の例で
は移動鏡がレーザ波長の１／２の距離だけ移動すると干
渉光は一回明暗を生じる。
じて明暗を繰り返すため、この干渉光を検出器６で受
け、明暗を計数することにより、移動鏡４すなわちステ
ージ３の移動距離を測定することができる。図３の例で
は移動鏡がレーザ波長の１／２の距離だけ移動すると干
渉光は一回明暗を生じる。
【０００５】また、周波数をわずかにずらした２周波の
レーザ光を光源から出射させ、一方を移動鏡で、他方を
固定鏡で折り返させ干渉させる方式（ヘテロダイン干渉
方式）も広く用いられている。さらに、干渉によって得
られた信号を電気的に分割することで測定の分解能をｎ
ｍオーダまで向上させる手法も広く用いられている。
レーザ光を光源から出射させ、一方を移動鏡で、他方を
固定鏡で折り返させ干渉させる方式（ヘテロダイン干渉
方式）も広く用いられている。さらに、干渉によって得
られた信号を電気的に分割することで測定の分解能をｎ
ｍオーダまで向上させる手法も広く用いられている。
【０００６】このような従来のレーザ干渉測長装置で
は、ビームスプリッタや移動鏡、あるいは固定鏡などの
光を透過させる光学素子の材料として硼珪酸ガラスや石
英ガラスなどの光学ガラスが用いられていた。
は、ビームスプリッタや移動鏡、あるいは固定鏡などの
光を透過させる光学素子の材料として硼珪酸ガラスや石
英ガラスなどの光学ガラスが用いられていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの光
学ガラスを光学素子の材料に用いているレーザ測長装置
では、光学素子に温度変化が生じると素子を通過してい
る部分のレーザの光路長が変化してしまい、測長誤差が
生じてしまうという問題点があった。この測長誤差は光
学素子の材料を硼珪酸ガラスとした場合、光路長１０ｍ
ｍにつき１°Ｃの温度変化で数十ｎｍにもおよぶ。
学ガラスを光学素子の材料に用いているレーザ測長装置
では、光学素子に温度変化が生じると素子を通過してい
る部分のレーザの光路長が変化してしまい、測長誤差が
生じてしまうという問題点があった。この測長誤差は光
学素子の材料を硼珪酸ガラスとした場合、光路長１０ｍ
ｍにつき１°Ｃの温度変化で数十ｎｍにもおよぶ。
【０００８】その結果、固定側と移動側の光学素子の間
に温度差が存在したり、あるいは測定を行なう時々に温
度が異なる場合に、測長するステージ３の位置に変化な
くても、測定結果に誤差が生じる場合あった。この誤差
の影響は、特に、超精密加工あるいは超精密計測等に利
用される高精度のレーザ干渉測長装置を実現する上で支
障となった。
に温度差が存在したり、あるいは測定を行なう時々に温
度が異なる場合に、測長するステージ３の位置に変化な
くても、測定結果に誤差が生じる場合あった。この誤差
の影響は、特に、超精密加工あるいは超精密計測等に利
用される高精度のレーザ干渉測長装置を実現する上で支
障となった。
【０００９】本発明は、このような問題点に鑑み、測長
結果に対する温度の影響を低減することにより高精度の
レーザ干渉測長装置および測長誤差補正方法を提供する
ことを目的とする。
結果に対する温度の影響を低減することにより高精度の
レーザ干渉測長装置および測長誤差補正方法を提供する
ことを目的とする。
【００１０】
【問題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに本発明は、レーザ光を参照光および測長光に分離
し、該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象
の測長を行なうレーザ干渉測長装置において、前記参照
光および測長光が透過する光透過性光学素子として、正
の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する光学材
料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係数とを
有する光学材料により形成された光学素子を使用した。
めに本発明は、レーザ光を参照光および測長光に分離
し、該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象
の測長を行なうレーザ干渉測長装置において、前記参照
光および測長光が透過する光透過性光学素子として、正
の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する光学材
料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係数とを
有する光学材料により形成された光学素子を使用した。
【００１１】このレーザ干渉測長装置は、例えば、記光
透過性光学素子として前記参照光を反射する固定鏡およ
び前記測長光を反射する移動鏡を有し、該固定鏡および
移動鏡が、前記光学材料で形成されたコーナーキューブ
プリズムで構成される。
透過性光学素子として前記参照光を反射する固定鏡およ
び前記測長光を反射する移動鏡を有し、該固定鏡および
移動鏡が、前記光学材料で形成されたコーナーキューブ
プリズムで構成される。
【００１２】あるいは、このレーザ測長装置は、前記光
透過性光学素子として前記参照光および測長光を分離す
るビームスプリッタを有し、該ビームスプリッタが前記
光学材料で形成される。
透過性光学素子として前記参照光および測長光を分離す
るビームスプリッタを有し、該ビームスプリッタが前記
光学材料で形成される。
【００１３】前記測長光の光路を覆うチューブと、該チ
ューブの両端開口を密封するとともに前記測長光を透過
させる光学ウィンドウとを有する場合、該光学ウィンド
ウを前記光学材料で形成することが好ましい。
ューブの両端開口を密封するとともに前記測長光を透過
させる光学ウィンドウとを有する場合、該光学ウィンド
ウを前記光学材料で形成することが好ましい。
【００１４】前記熱膨張係数が正で前記屈折率温度係数
が負となる光学材料は、例えば、フッ素クラウン系ある
いはリン酸クラウン系のガラスである。
が負となる光学材料は、例えば、フッ素クラウン系ある
いはリン酸クラウン系のガラスである。
【００１５】前記熱膨張係数が負で前記屈折率温度係数
が正となる光学材料は、例えば、特定の組成を有する部
分結晶化ガラスである。
が正となる光学材料は、例えば、特定の組成を有する部
分結晶化ガラスである。
【００１６】また、本発明による測長誤差補正方法は、
レーザ光を参照光および測長光に分離し、該参照光およ
び測長光の干渉を利用して被測定対象の測長を行なうレ
ーザ干渉測長装置における測長誤差補正方法であって、
前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
することにより、前記参照光および測長項が透過する光
透過性光学素子について、前記熱膨張係数に基づく光路
長変化と前記屈折率温度係数に基づく光路長変化とを相
殺するようにしたものである。
レーザ光を参照光および測長光に分離し、該参照光およ
び測長光の干渉を利用して被測定対象の測長を行なうレ
ーザ干渉測長装置における測長誤差補正方法であって、
前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
することにより、前記参照光および測長項が透過する光
透過性光学素子について、前記熱膨張係数に基づく光路
長変化と前記屈折率温度係数に基づく光路長変化とを相
殺するようにしたものである。
【００１７】
【作用】一般に、光学素子の温度が変化した時に光学素
子を通過している部分のレーザ光の光路長の変化ΔＬ
は、式１で計算される。
子を通過している部分のレーザ光の光路長の変化ΔＬ
は、式１で計算される。
【００１８】
【数１】
【００１９】ここで、Ｌは光学素子を通過している部分
のレーザ光の光路長、αは光学素子の線膨張係数（熱膨
張係数）、βは光学素子の屈折率の温度係数、ｎは光学
素子の屈折率、ΔＴは光学素子の温度変化である。ま
た、式１右辺のうち第一項 Ｌ・α・（ｎ−１）・ΔT
は光学素子の寸法変化による光路長変化を、第二項 L・
β・ΔT は光学素子の屈折率変化による光路長変化を意
味する。従来のレーザ測長装置の光学系に用いられてい
る硼珪酸ガラス、石英ガラス等の光学ガラスを含め多く
の光学材料でαは正の値を有する。同時に、硼珪酸ガラ
ス、石英ガラス等の光学ガラスは、βも正の値を有す
る。
のレーザ光の光路長、αは光学素子の線膨張係数（熱膨
張係数）、βは光学素子の屈折率の温度係数、ｎは光学
素子の屈折率、ΔＴは光学素子の温度変化である。ま
た、式１右辺のうち第一項 Ｌ・α・（ｎ−１）・ΔT
は光学素子の寸法変化による光路長変化を、第二項 L・
β・ΔT は光学素子の屈折率変化による光路長変化を意
味する。従来のレーザ測長装置の光学系に用いられてい
る硼珪酸ガラス、石英ガラス等の光学ガラスを含め多く
の光学材料でαは正の値を有する。同時に、硼珪酸ガラ
ス、石英ガラス等の光学ガラスは、βも正の値を有す
る。
【００２０】これに対し、本発明によるレーザ干渉測長
装置では、光学系を構成する光学素子に、αが正でβが
負となるか、あるいはαが負でβが正となる光学材料を
使用しているため、寸法変化による光路長変化と屈折率
変化による光路長変化が、互いに打ち消し合い、結果的
に生じる光路長の変化を小さく押さえることが可能とな
る。さらに、α，βが式２を満たすような材料を使用す
ることによって光路長変化をほとんど０にすることが可
能となる。
装置では、光学系を構成する光学素子に、αが正でβが
負となるか、あるいはαが負でβが正となる光学材料を
使用しているため、寸法変化による光路長変化と屈折率
変化による光路長変化が、互いに打ち消し合い、結果的
に生じる光路長の変化を小さく押さえることが可能とな
る。さらに、α，βが式２を満たすような材料を使用す
ることによって光路長変化をほとんど０にすることが可
能となる。
【００２１】
【数２】
【００２２】なお、本発明におけるレーザ干渉による測
長方式としては、単一波長によるＤＣ干渉方式（フリン
ジカウント干渉方式）、２周波によるヘテロダイン干渉
方式のいずれも使用可能である。
長方式としては、単一波長によるＤＣ干渉方式（フリン
ジカウント干渉方式）、２周波によるヘテロダイン干渉
方式のいずれも使用可能である。
【００２３】
【実施例】本発明の実施例を、さらに他の図面を参照し
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【００２４】図１は、本発明の一実施例の構成を示す概
略図である。本実施例（以下、第１実施例とする）の光
学系の構成は、図３と同様、移動鏡および固定鏡として
コーナキューブプリズムを使用しているが、図３に示し
た従来の固定鏡５に代えて固定鏡５０を使用すると共
に、従来の移動鏡４に代えて移動鏡４０を使用してい
る。他の構成は、図３の装置と同じである。
略図である。本実施例（以下、第１実施例とする）の光
学系の構成は、図３と同様、移動鏡および固定鏡として
コーナキューブプリズムを使用しているが、図３に示し
た従来の固定鏡５に代えて固定鏡５０を使用すると共
に、従来の移動鏡４に代えて移動鏡４０を使用してい
る。他の構成は、図３の装置と同じである。
【００２５】図３の装置と同様、光源１から出射された
レーザ光は、ビームスプリッタ２で分離された後、それ
ぞれ移動鏡４０および固定鏡５０で折り返され、再びビ
ームスプリッタ２上で重なり、干渉を起こす。
レーザ光は、ビームスプリッタ２で分離された後、それ
ぞれ移動鏡４０および固定鏡５０で折り返され、再びビ
ームスプリッタ２上で重なり、干渉を起こす。
【００２６】今、移動鏡４０および固定鏡５０内を通過
する部分のレーザの光路長を初期状態でそれぞれＬｍ、
Ｌｆとする。初期状態からの、移動鏡４０および固定鏡
５０の温度変化を、それぞれΔＴｍ、ΔＴｆとすると、
式１より移動鏡４０および固定鏡５０におけるレーザ光
の光路長変化ΔＬｍ、ΔＬｆは、それぞれ式３、式４で
計算される。
する部分のレーザの光路長を初期状態でそれぞれＬｍ、
Ｌｆとする。初期状態からの、移動鏡４０および固定鏡
５０の温度変化を、それぞれΔＴｍ、ΔＴｆとすると、
式１より移動鏡４０および固定鏡５０におけるレーザ光
の光路長変化ΔＬｍ、ΔＬｆは、それぞれ式３、式４で
計算される。
【００２７】
【数３】
【００２８】
【数４】
【００２９】ここでαmおよびαfは、それぞれ移動鏡４
０および固定鏡５０の線膨張係数、ｎmおよびｎfは、そ
れぞれ移動鏡４０および固定鏡５０の屈折率、βmおよ
びβfは、それぞれ移動鏡４０および固定鏡５０の屈折
率の温度係数である。
０および固定鏡５０の線膨張係数、ｎmおよびｎfは、そ
れぞれ移動鏡４０および固定鏡５０の屈折率、βmおよ
びβfは、それぞれ移動鏡４０および固定鏡５０の屈折
率の温度係数である。
【００３０】上記光路長変化ΔＬｍ、ΔＬｆによって、
本実施例で示したレーザ測長装置に生じる測長値の変化
ΔＸは、式５で得られる。
本実施例で示したレーザ測長装置に生じる測長値の変化
ΔＸは、式５で得られる。
【００３１】
【数５】
【００３２】また、移動鏡４０および固定鏡５０が同一
材料で製作されているとすると、ΔＸは、式６で表され
る。
材料で製作されているとすると、ΔＸは、式６で表され
る。
【００３３】
【数６】
【００３４】ここで、Ｌ＝Ｌm＝Ｌf、α＝αm＝αf、ｎ
＝ｎm＝ｎf、β＝βm＝βfである。
＝ｎm＝ｎf、β＝βm＝βfである。
【００３５】式６の測長値の変化は、移動鏡４０、すな
わちステージの移動によるものと区別がつかないため、
そのまま測長誤差となる。
わちステージの移動によるものと区別がつかないため、
そのまま測長誤差となる。
【００３６】式６から、移動鏡４０および固定鏡５０の
各々に温度変化が生じても、その温度変化が全く同一で
あれば測長値に変化が生じないことが分かる。移動鏡４
０と固定鏡５０とは同一環境内にあるので、通常、両者
にさほどの温度変化の差が生じることはないと考えられ
る。しかし、装置のサイズ、接地場所、使用環境等によ
って温度変化の差が生じうる。特に、超高精度の測長に
おいては、微小な温度変化差も、無視できない誤差の発
生原因となる。
各々に温度変化が生じても、その温度変化が全く同一で
あれば測長値に変化が生じないことが分かる。移動鏡４
０と固定鏡５０とは同一環境内にあるので、通常、両者
にさほどの温度変化の差が生じることはないと考えられ
る。しかし、装置のサイズ、接地場所、使用環境等によ
って温度変化の差が生じうる。特に、超高精度の測長に
おいては、微小な温度変化差も、無視できない誤差の発
生原因となる。
【００３７】第１実施例では、Ｌｍ＝Ｌｆ≒１２mmであ
る。仮に、移動鏡４０および固定鏡５０が従来通り硼珪
酸ガラスで製作されていたとすると、{α・(ｎ-1)+β}の
絶対値は、およそ５×１０-6（１／°Ｃ）となるため、
ΔＴｍ−ΔＴｆ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）の時、測
長誤差ΔＸは３０nmにもなる。
る。仮に、移動鏡４０および固定鏡５０が従来通り硼珪
酸ガラスで製作されていたとすると、{α・(ｎ-1)+β}の
絶対値は、およそ５×１０-6（１／°Ｃ）となるため、
ΔＴｍ−ΔＴｆ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）の時、測
長誤差ΔＸは３０nmにもなる。
【００３８】これに対し、第１実施例では、移動鏡４０
および固定鏡５０を式２を、フッ素クラウン系のガラス
の一種で、線膨張係数αが１６.５×１０-6（１／°
Ｃ）、屈折率温度係数βが−７.４×１０-6（１／°
Ｃ）、屈折率ｎが１.４４６を有するガラスで製作して
いる。この場合には、{α・(ｎ-1)+β}の絶対値はおよそ
０.０４×１０-6（１／°Ｃ）となるため、ΔＴｍ−Δ
Ｔｆ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）の時でも、測長誤差
ΔＸは、僅か０．２５ｎｍ程度であり、従来の１／１０
０以下に抑えることが可能となる。
および固定鏡５０を式２を、フッ素クラウン系のガラス
の一種で、線膨張係数αが１６.５×１０-6（１／°
Ｃ）、屈折率温度係数βが−７.４×１０-6（１／°
Ｃ）、屈折率ｎが１.４４６を有するガラスで製作して
いる。この場合には、{α・(ｎ-1)+β}の絶対値はおよそ
０.０４×１０-6（１／°Ｃ）となるため、ΔＴｍ−Δ
Ｔｆ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）の時でも、測長誤差
ΔＸは、僅か０．２５ｎｍ程度であり、従来の１／１０
０以下に抑えることが可能となる。
【００３９】なお、第１実施例においては、ビームスプ
リッタ２内を通過する測長光と参照光の光路長は同一で
あるので、ビームスプリッタ２の温度変化は測長誤差を
生じさせない。したがって、ビームスプリッタ２には従
来の光学素子を用いている。
リッタ２内を通過する測長光と参照光の光路長は同一で
あるので、ビームスプリッタ２の温度変化は測長誤差を
生じさせない。したがって、ビームスプリッタ２には従
来の光学素子を用いている。
【００４０】図２は、本発明の別の実施例の構成を示す
概略図である。本実施例（以下、第２実施例とする）で
は、測長方式に直交２周波によるヘテロダイン方式を採
用している。以下、図を参照して本発明の効果を説明す
る。
概略図である。本実施例（以下、第２実施例とする）で
は、測長方式に直交２周波によるヘテロダイン方式を採
用している。以下、図を参照して本発明の効果を説明す
る。
【００４１】光源１から同時に出射された互いに直交し
た２つの直線偏光は、１／４波長板１２を有する偏向ビ
ームスプリッタ２０で分離され、一方の偏光（参照光）
は、偏光ビームスプリッタ２０をそのまま通り抜け、検
出器６へと向かう。他方の偏光（測長光）は、偏光ビー
ムスプリッタ２０の反射面で反射してミラー７へと向か
う。ミラー７で反射した測長光は、ビームスプリッタ２
０を通り抜け、移動ステージ（図示せず）に固定された
ミラー８で反射した後、再びビームスプリッタ２０で反
射して、参照光と重なる。
た２つの直線偏光は、１／４波長板１２を有する偏向ビ
ームスプリッタ２０で分離され、一方の偏光（参照光）
は、偏光ビームスプリッタ２０をそのまま通り抜け、検
出器６へと向かう。他方の偏光（測長光）は、偏光ビー
ムスプリッタ２０の反射面で反射してミラー７へと向か
う。ミラー７で反射した測長光は、ビームスプリッタ２
０を通り抜け、移動ステージ（図示せず）に固定された
ミラー８で反射した後、再びビームスプリッタ２０で反
射して、参照光と重なる。
【００４２】さらに、第２実施例では、空気揺らぎの影
響を低減するため、偏光ビームスプリッタ２０とミラー
８の間のレーザ光路を、チューブ９で覆っている。この
チューブ９は、レーザ光を透過する光学ウィンドウ１
０、１１により両端が密封されている。本実施例では、
ミラー７とミラー８の間隔の変化が測長値として得られ
る。
響を低減するため、偏光ビームスプリッタ２０とミラー
８の間のレーザ光路を、チューブ９で覆っている。この
チューブ９は、レーザ光を透過する光学ウィンドウ１
０、１１により両端が密封されている。本実施例では、
ミラー７とミラー８の間隔の変化が測長値として得られ
る。
【００４３】第２実施例で示した構成のレーザ干渉測長
装置では、光学ウィンドウ１０および１１に温度変化が
生じると、両光学ウィンドウ１０，１１を通過する部分
のレーザ光（測長光）の光路長が変化するため。測長誤
差が生じる。また、第２実施例では偏光ビームスプリッ
タ２０を通過する部分の測長光と参照光の光路長が異な
るため、偏光ビームスプリッタ２０の温度変化も測長誤
差を生じさせる。この構成により、第２実施例では、第
１実施例の場合と異なり、各光学素子の温度変化が同一
であっても、その温度変化が測長値の誤差につながる。
装置では、光学ウィンドウ１０および１１に温度変化が
生じると、両光学ウィンドウ１０，１１を通過する部分
のレーザ光（測長光）の光路長が変化するため。測長誤
差が生じる。また、第２実施例では偏光ビームスプリッ
タ２０を通過する部分の測長光と参照光の光路長が異な
るため、偏光ビームスプリッタ２０の温度変化も測長誤
差を生じさせる。この構成により、第２実施例では、第
１実施例の場合と異なり、各光学素子の温度変化が同一
であっても、その温度変化が測長値の誤差につながる。
【００４４】今、初期状態で光学ウィンドウ１０および
１１を通過する部分のレーザ光の光路長を合わせてＬｗ
とし、初期状態からの光学ウィンドウ１０、１１の温度
変化をΔＴｗとすると、式１より、光学ウィンドウ部で
のレーザの光路長の変化ΔＬｗは、式７で表される。
１１を通過する部分のレーザ光の光路長を合わせてＬｗ
とし、初期状態からの光学ウィンドウ１０、１１の温度
変化をΔＴｗとすると、式１より、光学ウィンドウ部で
のレーザの光路長の変化ΔＬｗは、式７で表される。
【００４５】
【数７】
【００４６】ここで、αw、ｎwおよびβwはそれぞれ光
学ウィンドウの線膨張系数、屈折率および屈折率の温度
係数である。また、光学ウィンドウ１０および１１は同
じ材質で、温度変化も同一であるとしている。
学ウィンドウの線膨張系数、屈折率および屈折率の温度
係数である。また、光学ウィンドウ１０および１１は同
じ材質で、温度変化も同一であるとしている。
【００４７】同様に、初期状態での偏光ビームスプリッ
タ部を通過する測長光と参照光の光路の差をＬｂｓと
し、初期状態からの偏光ビームスプリッタの温度変化を
ΔＴｂｓとすると、式１より偏光ビームスプリッタ部で
のレーザの光路長の変化ΔＬｂｓは、式８で表される。
タ部を通過する測長光と参照光の光路の差をＬｂｓと
し、初期状態からの偏光ビームスプリッタの温度変化を
ΔＴｂｓとすると、式１より偏光ビームスプリッタ部で
のレーザの光路長の変化ΔＬｂｓは、式８で表される。
【００４８】
【数８】
【００４９】ここで、αbs、ｎbsおよびβbsはそれぞれ
偏光ビームスプリッタの線膨張系数、屈折率および屈折
率の温度係数である。
偏光ビームスプリッタの線膨張系数、屈折率および屈折
率の温度係数である。
【００５０】これらの光路長変化ΔＬｗ、ΔＬｂｓによ
って、本実施例で示したレーザ測長装置に生じる測長値
の変化ΔＸは、式９で得られる。
って、本実施例で示したレーザ測長装置に生じる測長値
の変化ΔＸは、式９で得られる。
【００５１】
【数９】
【００５２】この測長値の変化ΔＸは、ミラー７および
８の間隔の変化と区別がつかないため、そのまま測長誤
差となる。 本実施例では、Ｌｗ＝２０ｍｍ、Ｌｂｓ＝
１０ｍｍである。仮に、偏光ビームスプリッタおよび光
学ウィンドウが従来通り硼珪酸ガラスで製作されていた
場合、ΔＴｗ＝ΔＴｂｓ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）
の時、測長誤差ΔＸは７５ｎｍにもなる。
８の間隔の変化と区別がつかないため、そのまま測長誤
差となる。 本実施例では、Ｌｗ＝２０ｍｍ、Ｌｂｓ＝
１０ｍｍである。仮に、偏光ビームスプリッタおよび光
学ウィンドウが従来通り硼珪酸ガラスで製作されていた
場合、ΔＴｗ＝ΔＴｂｓ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）
の時、測長誤差ΔＸは７５ｎｍにもなる。
【００５３】これに対し、第２実施例では第１実施例同
様に、偏光ビームスプリッタ２０および光学ウィンドウ
１０，１１を、フッ素クラウン系のガラスの一種で、線
膨張係数αが１６.５×１０-6（１／°Ｃ）、屈折率温
度係数βが−７.４×１０-6（１／°Ｃ）、屈折率ｎが
１.４４６を有するガラスで製作している。そのため、
ΔＴｗ＝ΔＴｂｓ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）の時で
も、測長誤差ΔＸを従来の１／１００以下の０.６nm程
度に抑えることが可能となる。
様に、偏光ビームスプリッタ２０および光学ウィンドウ
１０，１１を、フッ素クラウン系のガラスの一種で、線
膨張係数αが１６.５×１０-6（１／°Ｃ）、屈折率温
度係数βが−７.４×１０-6（１／°Ｃ）、屈折率ｎが
１.４４６を有するガラスで製作している。そのため、
ΔＴｗ＝ΔＴｂｓ＝＋１°Ｃ（または−１°Ｃ）の時で
も、測長誤差ΔＸを従来の１／１００以下の０.６nm程
度に抑えることが可能となる。
【００５４】
【効果】本発明によれば、レーザ干渉測長装置におい
て、光学素子の温度変化によって生じる測長誤差を大幅
に低減することができるため、測長精度を飛躍的に向上
させることが可能となる。これにより、超精密加工ある
いは超精密計測で必要となるｎｍオーダの精密測長を高
い精度で行なうことができる。
て、光学素子の温度変化によって生じる測長誤差を大幅
に低減することができるため、測長精度を飛躍的に向上
させることが可能となる。これにより、超精密加工ある
いは超精密計測で必要となるｎｍオーダの精密測長を高
い精度で行なうことができる。
【図１】本発明の第１実施例を示す概念図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す概念図である。
【図３】従来技術を示す概念図である。
１・・・・レーザ光源
２、２０・・・・ビームスプリッタ
３・・・・移動ステージ
４、４０・・・・移動鏡
５、５０・・・・固定鏡
６・・・・検出器
７、８・・・ミラー
９・・・・チューブ
１０、１１・・・光学ウィンドウ
１２・・・１／４波長板
１３・・・処理表示装置
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 9/02
G01B 11/00
Claims (7)
- 【請求項１】レーザ光を参照光および測長光に分離し、
該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象の測
長を行なうレーザ干渉測長装置において、 前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
したことを特徴とするレーザ干渉測長装置。 - 【請求項２】前記光透過性光学素子として前記参照光を
反射する固定鏡および前記測長光を反射する移動鏡を有
し、該固定鏡および移動鏡が、前記光学材料で形成され
たコーナーキューブプリズムで構成されたことを特徴と
する請求項１記載のレーザ干渉測長装置。 - 【請求項３】前記光透過性光学素子として前記参照光お
よび測長光を分離するビームスプリッタを有し、該ビー
ムスプリッタが前記光学材料で形成されたことを特徴と
する請求項１または２記載のレーザ干渉測長装置。 - 【請求項４】前記測長光の光路を覆うチューブと、該チ
ューブの両端開口を密封するとともに前記測長光を透過
させる光学ウィンドウとを有し、該光学ウィンドウが前
記光学材料で形成されたことを特徴とする請求項１、２
または３記載のレーザ干渉測長装置。 - 【請求項５】前記熱膨張係数が正で前記屈折率温度係数
が負となる光学材料は、フッ素クラウン系あるいはリン
酸クラウン系のガラスであることを特徴とする請求項１
〜４のいずれかに記載のレーザ干渉測長装置。 - 【請求項６】前記熱膨張係数が負で前記屈折率温度係数
が正となる光学材料は、特定の組成を有する部分結晶化
ガラスであることを特徴とする請求項１〜４記載のレー
ザ干渉測長装置。 - 【請求項７】レーザ光を参照光および測長光に分離し、
該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象の測
長を行なうレーザ干渉測長装置における測長誤差補正方
法であって、 前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
することにより、前記参照光および測長項が透過する光
透過性光学素子について、前記熱膨張係数に基づく光路
長変化と前記屈折率温度係数に基づく光路長変化とを相
殺することを特徴とするレーザ干渉測長装置における測
長誤差補正方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03477994A JP3374505B2 (ja) | 1994-03-04 | 1994-03-04 | レーザ干渉測長装置およびその測長誤差補正方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03477994A JP3374505B2 (ja) | 1994-03-04 | 1994-03-04 | レーザ干渉測長装置およびその測長誤差補正方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07243807A JPH07243807A (ja) | 1995-09-19 |
| JP3374505B2 true JP3374505B2 (ja) | 2003-02-04 |
Family
ID=12423782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03477994A Expired - Lifetime JP3374505B2 (ja) | 1994-03-04 | 1994-03-04 | レーザ干渉測長装置およびその測長誤差補正方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3374505B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6325871B2 (ja) * | 2014-03-28 | 2018-05-16 | 株式会社キーエンス | 光学式座標測定装置 |
| CN113686241B (zh) * | 2021-08-06 | 2022-06-14 | 大连理工大学 | 一种高温表面线激光几何测量误差分析方法 |
-
1994
- 1994-03-04 JP JP03477994A patent/JP3374505B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07243807A (ja) | 1995-09-19 |
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