JP5361230B2

JP5361230B2 - ２波長レーザ干渉計評価校正方法、評価校正装置および評価校正システム

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Publication number: JP5361230B2
Application number: JP2008080353A
Authority: JP
Inventors: 薫宮田; 裕樹増田; 久嘉境
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP2009236554A

Description

本発明は、２波長レーザ干渉計を評価、校正するための２波長レーザ干渉計評価校正方法、評価校正装置および評価校正システムに関する。

レーザ干渉計は、高精度な長さ測定が可能であることから、産業機器類の評価や校正に使用されるなど、産業界において重要な役割を果たしている。しかし、レーザ干渉測長においては、空気ゆらぎの影響による測定不確かさの増大が大きな課題となり、空気ゆらぎに対する様々な対策が提案されている。

空気ゆらぎの影響を低減してレーザ干渉測長を可能とする代表的な方法として、２波長光波干渉測長法が知られている（非特許文献１参照）。
この方法は、波長の異なる２種類の光波を使用して、同時に測定対象の変位量を測定し、この２種類の測定値を用いた演算によって、空気ゆらぎの影響を低減した変位量を得る手法である。このため、温度や湿度、大気圧などの各種環境情報の計測が不要なため、測定の不確かさが減り、高精度な測長が期待できる。

「Correction of Optical Distance Measurements for the Fluctuating Atmospheric Index of Refraction」Journal of Geophysical Researach.Vol.70,No.10,May15,1965,pp.2461-2462」

２波長光波干渉測長法を用いた２波長レーザ干渉測長システムでは、数十ｍｍを超えるような長ストロークに渡っても、空気ゆらぎの影響を低減して高精度に変位量を測定できることが期待されている。
しかし、このような高精度な測長システムを詳細かつ高精度に性能評価したり、校正したりする適切な手段がなく、２波長レーザ干渉測長システムを実用化する上で大きな障害となっていた。実際に、２波長レーザ干渉測長システムに対する従来の精度評価方法は、測定すべき変位量をゼロとした静的な測長を行い、空気ゆらぎによる測定値の変動をどの程度抑えられるかを検証するものが主であった（例えば、非特許文献２参照）。

また、測定すべき変位量を動的に変化させた場合の精度評価は、長ストロークに渡って信頼できるスケールがなかったため、高々数μｍ程度に限られていた（例えば、非特許文献３参照）。また、測定対象が動的に変位すると、空気ゆらぎが発生して問題となるが、このような空気ゆらぎの低減効果を詳細に評価することも、従来、困難であった。
結局、従来は、２波長レーザ干渉測長システムを、長ストロークに渡って十分な精度で性能評価したり、校正したりすることが非常に困難であったため、国家標準にトレーサブルな２波長レーザ干渉測長システムを実現することも困難であった。

＜非特許文献２＞
「High-accuracy length-measuring interferometer using the two-colour method of compensating for the refractive index of air 」Meas.Sci.Technol.3(1992),pp.1084-1086」
＜非特許文献３＞
「ナノメーター測長システム」光学，Vol.20,No.3，(1991年3月)，pp.158-159

本発明の目的は、２波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能な２波長レーザ干渉計評価校正方法、評価校正装置および評価校正システムを提供することにある。

本発明の２波長レーザ干渉計評価校正方法は、波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める２波長レーザ干渉計を、評価、校正するための２波長レーザ干渉計評価校正方法であって、前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計とを用意し、前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときの前記真空容器外の反射面の変位量を前記２波長レーザ干渉計によって測定すると同時に、前記真空容器内の反射面の変位量を前記基準レーザ干渉計によって測定し、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値Ｄ、前記２波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる２種類のレーザ光束による測定値Ｄ１，Ｄ２を用いて、次式（１）
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
から、係数Ａを求め、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記２波長レーザ干渉計を評価、校正することを特徴とする。

このような構成によれば、駆動手段によって真空容器の端面を測定光束の光路に沿って移動させると、基準レーザ干渉計において、真空容器内の光路を通る測定光束の波長を基準に、真空容器内の反射面の変位量を精密に測定することができる。
本発明では、測定基準面である真空容器の端面の内外に設けられた反射面のうち、真空容器外の反射面の変位量を２波長レーザ干渉計によって測定すると同時に、真空容器内の反射面の変位量を基準レーザ干渉計によって測定し、基準レーザ干渉計によって得られた測定値と２波長レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較して、２波長レーザ干渉計を評価、校正するようにしたから、２波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能である。

２波長レーザ干渉計を評価するにあたっては、駆動手段の駆動により、測定基準面である真空容器の端面を一定速度で変位させたり、往復変位させたりしながら、動的な測定を行う。つまり、真空容器の端面を一定速度で移動させたり、往復動させたりしながら、基準レーザ干渉計によって真空容器内の反射面の変位量を測定すると同時に、２波長レーザ干渉計によって真空容器外の反射面の変位量を測定し、この測定値を比較する。
測定値の比較結果から、測定基準面である真空容器の端面が変位することで生じる空気ゆらぎによる測定値のばらつきをどの程度抑えられるかを検証することができる。これにより、２波長レーザ干渉計の速度追従性や周波数応答特性などを評価することができる。

また、測定基準面を静止させ続けて変位量をゼロとした従来通りの静的な測定も可能であり、空気ゆらぎによる測定値のばらつきをどの程度抑えられるかを検証できる。測定基準面を静止させる位置は、有効ストローク内において任意に設定できるため、２波長レーザ干渉計におけるデッドパス長の影響なども調査することも可能である。
また、空気の温度、大気圧、湿度、ＣＯ_２濃度などの測定環境が異なる場合の評価を行うことで、２波長レーザ干渉計の測定環境による影響の検証も行うことができる。
さらに、２波長レーザ干渉計による２種類の変位量測定値と、基準レーザ干渉計による変位量測定値とを比較検証することで、より適切な数学モデルの発見にも寄与できる。

２波長レーザ干渉計の校正においては、２波長レーザ干渉計と、基準レーザ干渉計とで同時に測定した測定基準面の変位量の結果の差が小さくなるように、２波長レーザ干渉計の数学モデルのパラメータを調整することにより実施できる。
例えば、２波長レーザ干渉計の各波長のレーザ光束で測定した測定値をＤ１，Ｄ２とすると、空気屈折率補正された変位量Ｄは
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
Ａ＝（ｎ２−１）／（ｎ２−ｎ１） …（２）
から求められる。ただし、ｎ１，ｎ２は、Ｄ１，Ｄ２に対応するレーザの波長における空気屈折率である。
従って、２波長レーザ干渉計で得られた変位量Ｄと基準レーザ干渉計で得られた変位量の差が小さくなるように、２波長レーザ干渉計のパラメータを調整することにより実施できる。

特に、本発明の２波長レーザ干渉計評価校正方法においては、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値Ｄ、前記２波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる２種類のレーザ光束による測定値Ｄ１，Ｄ２を用いて、次式（１）
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
から、係数Ａを求め、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することを特徴としている。

従来、２波長光波干渉測長法において、空気屈折率より表される係数Ａの値は、使用する２波長が定まれば一定値と見なされてきた。しかし、係数Ａは僅かながら測定環境依存性があり、温度、湿度、気圧、ＣＯ_２濃度に関して厳密に一定値とはならない。このため、２波長光波干渉測長法の測定環境依存性の調査が求められている。
また、係数Ａの値は、空気屈折率の経験式を用いて算出される。しかし、このような算出方法は、空気屈折率の経験式の精度の影響を受け、係数Ａの値に不確かさが発生する要因となり、２波長光波干渉測長における大きな不確かさの要因となっていた。このため、不確かさを低減して係数Ａの値を求める必要があるが、高精度に実現できる方法が従来なかった。

本発明によれば、基準レーザ干渉計によって得られた測定値Ｄを式（１）に代入し、係数Ａを未知数として最小二乗法などを用いて解くことで、係数Ａを高精度に求めることができる。そして、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することにより、２波長レーザ干渉計を詳細かつ高精度に評価、校正することができる。

本発明の２波長レーザ干渉計評価校正方法において、前記２波長レーザ干渉計で用いられる波長の異なる２種類のレーザ光束のうち１種類のレーザ光束を前記基準レーザ干渉計のレーザ光束として用いることが好ましい。
このような構成によれば、基準レーザ干渉計のレーザ光束に２波長レーザ干渉計で用いられるレーザ光束を利用したので、構成を単純化できるとともに、低コスト化も実現できる。
本発明の２波長レーザ干渉計評価校正装置は、波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める２波長レーザ干渉計を、評価、校正するための２波長レーザ干渉計評価校正装置であって、前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計と、前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときに、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値と前記２波長レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記２波長レーザ干渉計を評価、校正する評価校正手段とを備え、
前記評価校正手段は、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値Ｄ、前記２波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる２種類のレーザ光束による測定値Ｄ１，Ｄ２を用いて、式（１）
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
から、係数Ａを求め、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することを特徴とする。
このような２波長レーザ干渉計評価校正装置によっても、２波長レーザ干渉計評価校正方法と同様に、２波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能である。

本発明の２波長レーザ干渉計評価校正装置において、前記基準レーザ干渉計で用いられるレーザ光束は、前記２波長レーザ干渉計で用いられる波長の異なる２種類のレーザ光束のうち１種類のレーザ光束が分岐して用いられていることが好ましい。

本発明の２波長レーザ干渉計評価校正システムは、波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める２波長レーザ干渉計と、上述したいずれかの２波長レーザ干渉計評価校正装置とを備えたことを特徴とする。

このような２波長レーザ干渉計評価校正システムの構成によっても、２波長レーザ干渉計評価校正方法と同様に、２波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜全体構成の説明＞
本実施形態に係る２波長レーザ干渉計評価校正システムは、図１に示すように、２波長レーザ干渉計１と、２波長レーザ干渉計１からの測定光束の光路上に配置された真空容器２と、この真空容器２の端面を測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段としての駆動機構３と、基準レーザ干渉計４と、基準レーザ干渉計４によって得られた測定値と２波長レーザ干渉計１によって得られた測定値とを比較し、２波長レーザ干渉計１を評価、校正する評価校正手段５とを備えている。
ここでは、真空容器２と、駆動機構３と、基準レーザ干渉計４と、評価校正手段５とから、２波長レーザ干渉計評価校正装置６が構成されている。

２波長レーザ干渉計１は、波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面の変位量を求める、マイケルソン型２波長レーザ干渉計によって構成されている。
具体的には、波長の異なる２種類のレーザを出射する２波長レーザ光源１１と、この２波長レーザ光源１１から出射された波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束の２光束に分けるビームスプリッタ１２と、参照光束が向かう方向に固定され参照光束を反射させる参照面としての平面ミラー１３と、測定光束と参照光束とが重ね合わされた光束を各波長ごとの光束に分離するダイクロイックミラー１４と、このダイクロイックミラー１４で分離された各波長ごとの光束による干渉信号を検出するフォトディテクタ１５，１６と、この各フォトディテクタ１５，１６で検出された干渉信号から被測定面（平面ミラー２２，２３）の変位量をそれぞれ求める位相検出部１７，１８と、この位相検出部１７，１８で波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された被測定面（平面ミラー２２，２３）の変位量を演算する演算器１９とから構成されている。

２波長レーザ光源１１は、波長の異なる２種類のレーザ光束を同軸に出射する２波長レーザ光源、例えば、５３２ｎｍと１０６４ｎｍの波長のレーザ光束を同軸に出射するＮｄ−ＹＡＧレーザなどが用いられている。
ビームスプリッタ１２は、波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束の２光束に分けるとともに、平面ミラー１３で反射された光束（参照光束の反射光束）と平面ミラー２２で反射された光束（測定光束の反射光束）とを重ねあわせて干渉させる。
位相検出部１７，１８は、各フォトディテクタ１５，１６で検出された干渉信号（干渉縞）から測定光束が反射した被測定面（ここでは、後述する平面ミラー２２，２３）の変位量をそれぞれ求める。
演算器１９は、各波長の光束で測定した変位量をＤ１，Ｄ２とすると、空気屈折率補正がされた測定基準面である平面ミラー２２の変位量Ｄを、
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
Ａ＝（ｎ２−１）／（ｎ２−ｎ１） …（２）
から求める。ただし、ｎ１，ｎ２は、Ｄ１，Ｄ２に対応するレーザ光束の波長における空気屈折率である。

真空容器２は、２波長レーザ干渉計１からの測定光束の光路上に配置された金属ベローズによって構成され、真空容器２の内部が真空空間、真空容器２の外部が大気空間となっている。
真空容器２は、金属ベロースの一端（２波長レーザ干渉計１の測定光束と対向する端面）が封止体２１によって封止されているとともに、他端が基準レーザ干渉計４に固定されている。つまり、真空容器２の封止体２１が真空容器２の長手方向に沿って移動可能とされている。封止体２１の内外面には、測定基準面としての平面ミラー２２，２３が配置されている。これらの平面ミラー２２，２３は、それぞれ２波長レーザ干渉計１の測定光束および基準レーザ干渉計４の測定光束に対して略直角に配置されているとともに、駆動機構３により測定光束に沿って移動可能に構成されている。つまり、平面ミラー２２，２３を有する封止体２１が移動することで真空容器２が伸縮するようになっている。
ここで、２波長レーザ干渉計１の測定光束および基準レーザ干渉計４の測定光束は、測定基準面としての平面ミラー２２，２３を挟んで、これらと略垂直に、かつ、略同一軸線上に位置されている。このため、アッベ誤差およびコサイン誤差の影響が低減されている。

駆動機構３は、封止体２１が固定されたガイド筒３１と、このガイド筒３１に接触した状態で回転してガイド筒３１を測定光束の光路方向へ等速移動させる駆動ローラ３２と、この駆動ローラ３２を回転駆動させる駆動装置３３と、ガイド筒３１を流体を介して所定姿勢で保持するガイド機構３４とを含んで構成されている。

基準レーザ干渉計４は、レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を真空容器２内の光路に導くとともに、参照光束を参照面へ導き、真空容器２の反射面（平面ミラー２３）からの反射光束と参照面からの反射光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して真空容器２内の反射面の変位量を求める、マイケルソン型レーザ干渉計によって構成されている。
具体的には、所定波長のレーザ光束を出射するレーザ光源４１と、このレーザ光源４１から出射されたレーザ光束を測定光束と参照光束の２光束に分けるビームスプリッタ４２と、参照光束が向かう方向に固定され参照光束を反射させる参照面としての平面ミラー４３と、測定光束と参照光束とが重ね合わされた光束による干渉信号を検出するフォトディテクタ４５と、このフォトディテクタ４５で検出された干渉信号から測定光束が反射した面（ここでは、平面ミラー２３）の変位量をそれぞれ求める位相検出部４７とから構成されている。なお、レーザ光源４１としては、国家標準とトレーサブルなものが用いられている。

評価校正手段５は、基準レーザ干渉計４によって得られた測定値（真空容器２の内側の平面ミラー２３の変位量）と、２波長レーザ干渉計１によって得られた測定値（真空容器２の外側の平面ミラー２２の変位量）とを比較し、２波長レーザ干渉計１を評価、校正する。

＜２波長レーザ干渉計の作用説明＞
まず、２波長レーザ光源１１から異なる波長のレーザを出射する。すると、これら異なる波長のレーザ光束は、ビームスプリッタ１２によって測定光束と参照光束との２光束にそれぞれ分けられる。
参照光束は、平面ミラー１３へ向かい、その平面ミラー１３で反射されたのち、ビームスプリッタ１２へ戻る。測定光束は、平面ミラー２２へ向かい、その平面ミラー２２で反射されたのち、ビームスプリッタ１２へ戻り、参照光束と重ね合わされて干渉される。測定光束と参照光束との干渉光束は、ダイクロイックミラー１４へ至り、各波長ごとの光束に分離されたのち、それぞれフォトディテクタ１５，１６へ入射される。フォトディテクタ１５，１６において、各波長に干渉光束による干渉信号が検出されたのち、この各干渉信号が位相検出部１７，１８に送られる。すると、位相検出部１７，１８において、平面ミラー２２の変位量が各波長ごとにそれぞれ求められたのち、この各変位量が演算器１９へ送られる。

演算器１９では、各波長の光束で測定した変位量をＤ１，Ｄ２とすると、空気屈折率補正がされた変位量Ｄを
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
Ａ＝（ｎ２−１）／（ｎ２−ｎ１） …（２）
から求める。ただし、ｎ１，ｎ２は、Ｄ１，Ｄ２に対応するレーザ光束の波長における空気屈折率である。

＜評価校正装置の作用説明＞
まず、レーザ光源４１からレーザ光束を出射すると、このレーザ光束は、ビームスプリッタ４２によって測定光束と参照光束との２光束にそれぞれ分けられる。
参照光束は、平面ミラー４３へ向かい、その平面ミラー４３で反射されたのち、ビームスプリッタ４２へ戻る。測定光束は、内部が真空化された真空容器２へ入射し、平面ミラー２３へ向かい、その平面ミラー２３で反射されたのち、ビームスプリッタ４２へ戻り、参照光束と重ね合わされて干渉される。測定光束と参照光束との干渉光束は、フォトディテクタ４５へ入射される。フォトディテクタ４５において、干渉光束による干渉信号が検出されたのち、この干渉信号が位相検出部４７に送られる。すると、位相検出部４７において、干渉信号（干渉縞）を基に平面ミラー２３の変位量が求められたのち、この変位量が評価校正手段５に与えられる。

評価校正手段５は、基準レーザ干渉計４によって得られた真空容器２の内側の平面ミラー２３の測定値と、２波長レーザ干渉計１によって得られた真空容器２の外側の平面ミラー２２の測定値とを比較し、２波長レーザ干渉計１を評価、校正する。

＜評価校正方法の説明＞
２波長レーザ干渉計１を評価、校正するには、駆動機構３の駆動により、平面ミラー２２，２３を有する封止体２１を精密に移動させ、かつ、精密に位置決めしながら、基準レーザ干渉計４によって得られた真空容器２の内側の平面ミラー２３の変位量と、２波長レーザ干渉計１によって得られた真空容器２の外側の平面ミラー２２の変位量とを比較することで、２波長レーザ干渉計１を評価、校正する。

２波長レーザ干渉計１の評価においては、駆動機構３の駆動により、測定基準面である平面ミラー２２，２３（封止体２１）を一定速度で変位させたり、往復変位させたりしながら、動的な測定を行う。つまり、平面ミラー２２，２３（封止体２１）を一定速度で移動させたり、往復動させたりしながら、基準レーザ干渉計４によって真空容器２の内側の平面ミラー２３の変位量を測定すると同時に、２波長レーザ干渉計１によって真空容器２の外側の平面ミラー２２の変位量を測定し、この測定値を比較する。
測定値の比較結果から、測定基準面である平面ミラー２２，２３（封止体２１）が変位することで生じる空気ゆらぎによる測定値のばらつきをどの程度抑えられるかを検証することができる。これにより、２波長レーザ干渉計１の速度追従性や周波数応答特性などを評価することができる。

また、測定基準面を静止させ続けて変位量をゼロとした従来通りの静的な測定も可能であり、空気ゆらぎによる測定値のばらつきをどの程度抑えられるかを検証できる。測定基準面を静止させる位置は、有効ストローク内において任意に設定できるため、２波長レーザ干渉計１におけるデッドパス長の影響なども調査することも可能である。
また、空気の温度、大気圧、湿度、ＣＯ_２濃度などの測定環境が異なる場合の評価を行うことで、２波長レーザ干渉計１の測定環境による影響の検証も行うことができる。
さらに、２波長レーザ干渉計１による２種類の変位量測定値と、基準レーザ干渉計による変位量測定値とを比較検証することで、より適切な数学モデルの発見にも寄与できる。

２波長レーザ干渉計１の校正においては、２波長レーザ干渉計１と、基準レーザ干渉計４とで同時に測定した測定基準面の変位量の結果の差が小さくなるように、２波長レーザ干渉計１の数学モデルのパラメータを調整することにより実施できる。
特に、式（１）の左辺Ｄに基準レーザ干渉計の変位量測定値を代入し、３種類の測定値Ｄ，Ｄ１，Ｄ２を用い、係数Ａの値を未知数として最小二乗法などを用いて解くことで、係数Ａの値を高精度に求めることができる。この求められた係数Ａの値を用いることで２波長光波干渉測長法における不確かさを低減することが可能になる。つまり、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することにより、２波長レーザ干渉計を詳細かつ高精度に評価、校正することができる。

＜変形例＞
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、２波長レーザ干渉計１のレーザ光源１１として、異なる波長を有する２種類のレーザ光束を出射するものとしたが、波長の異なる２種類のレーザ光束を出射する２つのレーザ光源を用い、それぞれのレーザ光源から出射された波長の異なるレーザ光束をダイクロイックミラーなどを利用して合成して出射するようにしてもよい。

前記実施形態において、２波長レーザ干渉計１のレーザ光源１１から出射される波長の異なるレーザ光束のうち、いずれかの波長のレーザ光束が校正されており、国家標準にトレーサブルである場合、そのレーザ光源１１の光路を分岐して、基準レーザ干渉計４のレーザ光源４１として用いてもよい。また、各レーザ光源１１，４１の出射口からのレーザ光束は必要に応じて調整することができ、光ファイバやビームエクスパンダーなどの各種光学素子を自由に用いることができる。

前記実施形態では、２波長レーザ干渉計１として、偏光を利用しないマイケルソン型の２波長レーザ干渉計を挙げたが、この構成に限定されるものではない。測定光束と参照光束とを干渉させて、その干渉信号から測長を行うものであれば、任意の構成のものでも実施できる。
前記実施形態では、基準レーザ干渉計４として、偏光を利用しないマイケルソン型のレーザ干渉計を挙げたが、この構成に限定されるものでない。真空光路を使用したレーザ干渉計であれば、他の構成の干渉計であってもよい。

前記実施形態では、２波長レーザ干渉計１と基準レーザ干渉計４とを真空容器２を挟んで一列に配置しているが、ミラーやコーナーキューブなどを利用して、ビームスプリッタ１２から平面ミラー２２に至る光路を必要に応じて自由に曲げて省スペース化を図ることもできる。また、ビームスプリッタ１２から平面ミラー２２に至る光路を自由に伸ばすなどして、デッドパス長による空気ゆらぎの影響も調査することができる。

前記実施形態では、真空容器２の一端面に封止体２１を設け、この封止体２１の内外面に平面ミラー２２，２３を配置したが、真空容器２の一端面に透明体を取り付け、この透明体の両面に反射膜を形成するか、この透明体の片面に反射膜を形成して、透明体の内外面に２波長レーザ干渉計１と基準レーザ干渉計４の反射面（被測定面）を形成するようにしてもよい。

本発明によれば、２波長レーザ干渉計を、長ストロークの測定範囲に渡って詳細かつ高精度に評価、校正することが可能な２波長レーザ干渉計評価校正方法、評価校正装置および評価校正システムに利用できる。

本発明の一実施形態に係る２波長レーザ干渉計評価校正システムを示す図。

符号の説明

１…２波長レーザ干渉計、
２…真空容器、
３…駆動機構（駆動手段）、
４…基準レーザ干渉計、
５…評価校正手段、
６…２波長レーザ干渉計評価校正装置、
１３…平面ミラー（参照面）、
２１…封止体（可動端面）、
２２…平面ミラー（被測定面）、
２３…平面ミラー（被測定面）、
４３…平面ミラー（参照面）。

Claims

波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める２波長レーザ干渉計を、評価、校正するための２波長レーザ干渉計評価校正方法であって、
前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、
この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、
レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計とを用意し、
前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときの前記真空容器外の反射面の変位量を前記２波長レーザ干渉計によって測定すると同時に、前記真空容器内の反射面の変位量を前記基準レーザ干渉計によって測定し、
前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値Ｄ、前記２波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる２種類のレーザ光束による測定値Ｄ１，Ｄ２を用いて、次式（１）
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
から、係数Ａを求め、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記２波長レーザ干渉計を評価、校正することを特徴とする２波長レーザ干渉計評価校正方法。
請求項１に記載の２波長レーザ干渉計評価校正方法において、
前記２波長レーザ干渉計で用いられる波長の異なる２種類のレーザ光束のうち１種類のレーザ光束を前記基準レーザ干渉計のレーザ光束として用いたことを特徴とする２波長レーザ干渉計評価校正方法。
波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める２波長レーザ干渉計を、評価、校正するための２波長レーザ干渉計評価校正装置であって、
前記測定光束の光路上に配置され前記測定光束と対向する端面の内外面に反射面を有し前記端面を挟んで前記測定光束とは反対側に真空空間を有する真空容器と、
この真空容器の前記端面を前記測定光束の光路に沿って移動させる駆動手段と、
レーザ光束を測定光束と参照光束に分割し、この測定光束を前記真空容器内に導くとともに、前記参照光束を参照面に向けて導き、前記真空容器内の反射面によって反射された光束と前記参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を検出して前記真空容器内の反射面の変位量を求める基準レーザ干渉計と、
前記駆動手段によって前記真空容器の端面を前記測定光束の光路に沿って移動させたときに、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値と前記２波長レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較し、前記２波長レーザ干渉計を評価、校正する評価校正手段とを備え、
前記評価校正手段は、前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値Ｄ、前記２波長レーザ干渉計によって得られた波長の異なる２種類のレーザ光束による測定値Ｄ１，Ｄ２を用いて、式（１）
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１） …（１）
から、係数Ａを求め、この係数Ａを使って前記式（１）の右辺を求め、これと前記基準レーザ干渉計によって得られた測定値とを比較することを特徴とする２波長レーザ干渉計評価校正装置。
請求項３に記載の２波長レーザ干渉計評価校正装置において、
前記基準レーザ干渉計で用いられるレーザ光束は、前記２波長レーザ干渉計で用いられる波長の異なる２種類のレーザ光束のうち１種類のレーザ光束が分岐して用いられていることを特徴とする２波長レーザ干渉計評価校正装置。
波長の異なる２種類のレーザ光束をそれぞれ測定光束と参照光束に分割し、これら測定光束および参照光束が被測定面および参照面によって反射された光束を重ね合わせ、この重ね合わされた光束を波長ごとに分離、検出して前記被測定面の変位量を求め、これら波長ごとに求められた変位量を用いた演算によって空気屈折率補正された前記被測定面の変位量を求める２波長レーザ干渉計と、
請求項３または請求項４に記載の２波長レーザ干渉計評価校正装置と
を備えたことを特徴とする２波長レーザ干渉計評価校正システム。