(57)【要約】【課題】簡単な構成で、かつ高精度に狭範囲における変位を測定可能な変位測定装置、および変位測定方法を提供する。【解決手段】レーザ干渉測長装置は、１０６４nmおよび５３２nmのレーザ光を射出する光源部１１０と、偏光ビームスプリッタ１２０と、測定光路３００の長波長レーザ光を分離するダイクロイックミラー３２０と、分離したレーザ光を反射する長波長コーナキューブ３３０と、測定光路３００に対し変位可能な測定コーナキューブ３４０と、参照光路２００に対し変位可能な参照コーナキューブ２２０と、長波長レーザ光の光路長を変更する光路変更手段と、干渉信号を出力する位相検出部４２０と、和信号を演算する和信号演算手段と、和信号の位相が変化しないように、参照コーナキューブ２２０を変位させる変位制御手段と、その変位量を検出する参照変位量検出手段と、測定コーナキューブ３４０の変位量を演算する測定変位量演算手段と、を具備した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が倍数関係にある異なる２つの波長のレーザ光を射出する光源と、
前記光源からの前記レーザ光を偏光方向の違いにより分離し、これらの分離された前記レーザ光のうち、一方を被測定対象に向かう方向の測定光路に、他方を前記測定光路とは異なる方向の参照光路に沿って射出する偏光分離手段と、
前記測定光路に設けられるとともに、波長の異なる２つのレーザ光のうち、波長が長い長波長レーザ光を反射するとともに、波長が短い短波長レーザ光を透過する測定光分離手段と、
前記測定光路内に設けられるとともに、前記測定光分離手段により分離された前記長波長レーザ光を反射する長波長反射部と、
前記測定光路内に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する測定側光路長変更手段と、
前記被測定対象に固定され、前記測定光路に沿って変位可能に設けられるとともに、前記短波長レーザ光を反射する測定反射部と、
前記参照光路に沿って変位可能に設けられ、前記レーザ光を反射する参照反射部と、
前記参照光路に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する参照側光路長変更手段と、
前記測定光路の前記測定反射部および前記長波長反射部に反射された前記レーザ光と、前記参照光路の前記参照反射部に反射された前記レーザ光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、
前記光重ね合わせ手段により重ね合わされた前記レーザ光により生じる干渉波を受光するとともに、受光した干渉波に応じた干渉信号を出力する検出手段と、
前記検出手段から出力される前記干渉信号のうち、前記長波長レーザ光に対する干渉信号および前記短波長レーザ光に対する干渉信号の和信号を演算する和信号演算手段と、
前記和信号の位相が変化しないように、前記参照反射部を変位させる変位制御手段と、
前記参照反射部の変位量を検出する参照変位量検出手段と、
前記参照反射部の変位量に基づいて、前記測定反射部の変位量を演算する測定変位量演算手段と、
を具備したことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位測定装置において、
前記参照変位量検出手段は、前記長波長レーザ光に対する干渉信号に基づいて前記参照反射部の変位量を検出する
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項３】
波長が倍数関係にある異なる２つの波長のレーザ光を射出する光源と、この光源からの前記レーザ光を偏光方向の違いにより分離し、これらの分離された前記レーザ光のうち、一方を被測定対象に向かう方向の測定光路に、他方を前記測定光路とは異なる方向の参照光路に沿って射出する偏光分離手段と、前記測定光路に設けられるとともに、波長の異なる２つのレーザ光のうち、波長が長い長波長レーザ光を反射するとともに、波長が短い短波長レーザ光を透過する測定光分離手段と、前記測定光路内に設けられるとともに、前記測定光分離手段により分離された前記長波長レーザ光を反射する長波長反射部と、前記測定光路内に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する測定側光路長変更手段と、前記被測定対象に固定され、前記測定光路に沿って変位可能に設けられるとともに、前記短波長レーザ光を反射する測定反射部と、前記参照光路に沿って変位可能に設けられ、前記レーザ光を反射する参照反射部と、前記参照光路に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する参照側光路長変更手段と、前記測定光路の前記測定反射部および前記長波長反射部に反射された前記レーザ光と、前記参照光路の前記参照反射部に反射された前記レーザ光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、前記光重ね合わせ手段により重ね合わされた前記レーザ光により生じる干渉波を受光するとともに、受光した干渉波に応じた干渉信号を出力する検出手段とを具備した変位測定装置における変位測定方法であって、
前記干渉信号のうち、前記長波長レーザ光に対する干渉信号および前記短波長レーザ光に対する干渉信号の和信号を演算し、
前記和信号の位相が変化しないように前記参照反射部を変位させ、
この参照反射部の変位量を検出し、
この参照反射部の変位量に基づいて、前記測定反射部の変位量を演算する
ことを特徴とする変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の変位量を測定する変位測定装置、および変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体のスケールなどと比べてアライメントの設定が自由に実施でき、アッベ誤差を低減可能なレーザ干渉測長計が知られている（例えば、特許文献１）。
この特許文献１に記載のものは、光源から１．０６μｍＹＡＧレーザとその第２高調波を射出し、λ／２板により偏光状態を調整し、これらのレーザ光をビームスプリッタに入射させる。ここで、ビームスプリッタで反射されたレーザ光は、参照鏡で反射され、ビームスプリッタを透過したレーザ光は、プローブ鏡で反射されることで、これらの反射光は、再びビームスプリッタに入射して干渉する。この後、これらのレーザ光の干渉縞を分離させて、これらの干渉縞に基づく信号を検出することで、幾何学的長さを計算する構成が採られている。
【０００３】
ここで、上記特許文献１のようなレーザ干渉測長計では、測定範囲が数μｍ程度の微小領域において、内挿誤差の影響が無視できない大きさとなり、サブナノメートルの測定精度を実現するのが困難となる。そこで、使用するレーザの波長を短くする方法や、レーザ干渉測長計と測定対象となる移動用の反射鏡との往復回数を増やす光路長増幅法（例えば、非特許文献１）、波長可変レーザを用いる方法（例えば、非特許文献２）などが用いられている。
【０００４】
非特許文献１に記載の方法は、互いに向かい合わされた、プリズム間でレーザ光を反射させることで、これらプリズム間でレーザ光を５往復させ、光学的に１０倍の分解能を持たせる方法である。
また、非特許文献２に記載の方法は、波長可変レーザを用いて、測定中に波長を可変させながら測定を実施することで内挿誤差の影響をなくして測長する方法である。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２７２９１３号公報
【非特許文献１】初澤毅，豊田幸司，谷村吉久，奈良誠，豊永修司，原信也，岩崎裕隆，近藤一彦，集積型マイクロ干渉計と走査型電子顕微鏡を用いた微小線幅の精密測定，精密工学会誌，Vol.60，No.11，（1994年11月），pp.1582-1585
【非特許文献２】Banh Quoc Tuan，星野雄太，石下雅史，小林健，明田川正人，周波数可変レーザを用いたピコメートル干渉測長法の開発−第５報：空気の屈折率変動計測とその補正−，2008年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，F02，pp.441-442
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、レーザ干渉測長計における高分解能化、高精度化を実現する方法として、上述した使用するレーザの波長を短くする方法を用いた場合、高分解能化や内挿誤差低減に対して有効ではあるが、可視域よりも短波長である紫外域やＸ線領域の光を用いると、光源の安定性、光学部品の入手性、安全性が悪化するなどの問題があり、装置自体も大型化してしまうという問題もある。
また、上記非特許文献１に記載のような光路長増幅法を用いる場合では、見かけ上レーザ光の波長が短くなるため、高精度化が実現できるが、光学系が複雑になり、光路長が増大することで光量が低下するという問題もある。また、測定における最高移動速度が低下するなどといった問題も挙げられる。
さらに、非特許文献２に記載のような波長可変レーザを用いる方法では、測定中に波長可変を動的に実施するため、光学部品におけるレーザ光の分散の影響が課題となり、また高度な波長安定性を実現することも困難となる。
以上のように、レーザ干渉測長計において、簡単な構成で、数μｍの狭測定範囲でサブナノメートルの測定精度を実現することは困難であるという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡単な構成で、かつ高精度に狭範囲における変位を測定可能な変位測定装置、および変位測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の変位測定装置では、波長が倍数関係にある異なる２つの波長のレーザ光を射出する光源と、前記光源からの前記レーザ光を偏光方向の違いにより分離し、これらの分離された前記レーザ光のうち、一方を被測定対象に向かう方向の測定光路に、他方を前記測定光路とは異なる方向の参照光路に沿って射出する偏光分離手段と、前記測定光路に設けられるとともに、波長の異なる２つのレーザ光のうち、波長が長い長波長レーザ光を反射するとともに、波長が短い短波長レーザ光を透過する測定光分離手段と、前記測定光路内に設けられるとともに、前記測定光分離手段により分離された前記長波長レーザ光を反射する長波長反射部と、前記測定光路内に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する測定側光路長変更手段と、前記被測定対象に固定され、前記測定光路に沿って変位可能に設けられるとともに、前記短波長レーザ光を反射する測定反射部と、前記参照光路に沿って変位可能に設けられ、前記レーザ光を反射する参照反射部と、前記参照光路に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する参照側光路長変更手段と、前記測定光路の前記測定反射部および前記長波長反射部に反射された前記レーザ光と、前記参照光路の前記参照反射部に反射された前記レーザ光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、前記光重ね合わせ手段により重ね合わされた前記レーザ光により生じる干渉波を受光するとともに、受光した干渉波に応じた干渉信号を出力する検出手段と、前記検出手段から出力される前記干渉信号のうち、前記長波長レーザ光に対する干渉信号および前記短波長レーザ光に対する干渉信号の和信号を演算する和信号演算手段と、前記和信号の位相が変化しないように前記参照反射部を変位させる変位制御手段と、前記参照反射部の変位量を検出する参照変位量検出手段と、前記参照反射部の変位量に基づいて、前記測定反射部の変位量を演算する測定変位量演算手段と、を具備したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の変位測定方法は、波長が倍数関係にある異なる２つの波長のレーザ光を射出する光源と、この光源からの前記レーザ光を偏光方向の違いにより分離し、これらの分離された前記レーザ光のうち、一方を被測定対象に向かう方向の測定光路に、他方を前記測定光路とは異なる方向の参照光路に沿って射出する偏光分離手段と、前記測定光路に設けられるとともに、波長の異なる２つのレーザ光のうち、波長が長い長波長レーザ光を反射するとともに、波長が短い短波長レーザ光を透過する測定光分離手段と、前記測定光路内に設けられるとともに、前記測定光分離手段により分離された前記長波長レーザ光を反射する長波長反射部と、前記測定光路内に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する測定側光路長変更手段と、前記被測定対象に固定され、前記測定光路に沿って変位可能に設けられるとともに、前記短波長レーザ光を反射する測定反射部と、前記参照光路に沿って変位可能に設けられ、前記レーザ光を反射する参照反射部と、前記参照光路に設けられるとともに、前記長波長レーザ光の光路長を変更する参照側光路長変更手段と、前記測定光路の前記測定反射部および前記長波長反射部に反射された前記レーザ光と、前記参照光路の前記参照反射部に反射された前記レーザ光とを重ね合わせる光重ね合わせ手段と、前記光重ね合わせ手段により重ね合わされた前記レーザ光により生じる干渉波を受光するとともに、受光した干渉波に応じた干渉信号を出力する検出手段とを具備した変位測定装置における変位測定方法であって、前記干渉信号のうち、前記長波長レーザ光に対する干渉信号および前記短波長レーザ光に対する干渉信号の和信号を演算し、前記和信号の位相が変化しないように前記参照反射部を変位させ、この参照反射部の変位量を検出し、この参照反射部の変位量に基づいて、前記測定反射部の変位量を演算することを特徴とする。
【００１０】
これらの発明では、波長が倍数関係にある異なる２つの波長のレーザ光を、被測定対象に向かう測定光路と、測定光路とは異なる方向の参照光路とに分離する。ここで、偏光分離手段としては、例えばレーザ光のP偏光を透過し、S偏光を反射する偏光分離スプリッタなどを用いることができる。
そして、分離されたレーザ光のうち、測定光路側に分離されたレーザ光では、長波長レーザ光は、測定光路分離手段により分離され、長波長反射部で反射され、測定側光路長変更手段により光路長が変更された後、光重ね合わせ手段に入射する。また、測定光路側の短波長レーザ光は、測定反射部に反射された後、光重ね合わせ手段に入射する。
一方、参照光路側に分離されたレーザ光では、長波長レーザ光は、参照側光路長変更手段により光路長が変更された後、光重ね合わせ手段に入射する。また、参照光路側の短波長レーザ光は、参照側反射部に反射された後、光重ね合わせ手段に入射する。
そして、光重ね合わせ手段は、同一波長のレーザ光同士を重ね合わせて干渉波を生成し、検出部に向かってこの干渉波を射出する。
また、検出部では、この干渉波を受信して、長波長レーザ光に対する干渉信号、および短波長レーザ光に対する干渉信号をそれぞれ出力する。
そして、和信号演算手段は、これら２つの干渉信号の和信号を演算し、参照変位量検出手段は、この和信号の位相が変化しないように参照反射部を変位させる。そして、測定変位量演算部は、この参照反射部の変位量に基づいて、測定反射部の変位量を演算する。
【００１１】
このような構成の変位測定装置において、参照反射部の変位量をｌとすると、検出部から出力される干渉信号の変化量は、概略次式により表される。なお、測定側光路長変更手段により、測定光路に射出された長波長レーザ光は、偏光分離手段と長波長反射部との間を２往復する状態に光路が変更されたとし、参照側光路長変更手段により参照光路に射出された長波長レーザ光は、偏光分離手段と参照反射部との間を２往復する状態に光路が変更されたとする。
【００１２】
【数１】
2010038649.tif 000003
【００１３】
上記（１）（２）式において、ｉは、波長を区別するための添え字であり、i=１は長波長レーザ光、i=２は短波長レーザ光を示すものとする。λｉは各レーザ光の真空波長であり、本発明ではλ１＝２λ２である。ｎｉは、各レーザ光の屈折率である。
各レーザ光の屈折率は、例えば空気中では、略１であるが、実際には、各レーザ光において僅かな差がある。空気中での屈折率の差の概略値を次式（３）に示す。
【００１４】
【数２】
2010038649.tif 000004
【００１５】
したがって、上記（１）（２）式にて示される各レーザ光の干渉信号ｙ１、ｙ２は、（３）式に示す屈折率差分だけ異なる信号となる。
ここで、和信号演算手段は、これらの干渉信号ｙ１、ｙ２の和信号を次式（４）に示すように演算する。
【００１６】
【数３】
2010038649.tif 000005
【００１７】
図１は、参照反射部の変位量に伴う和信号の変化を示す図である。図１において、和信号ｙ１＋ｙ２は、黒塗りで示されているが、実際には、図１の「拡大図」に示すように、非常に早い周期で振動する信号波である。
この和信号ｙ１＋ｙ２は、（４）式に示すように、周期が非常に短いｃｏｓ（２πｌ（ｎ１＋ｎ２）／λ２）の信号成分と、周期が長いｃｏｓ（２πｌ（ｎ１−ｎ２）／λ２）との積となる。図２は、図１において、和信号ｙ１＋ｙ２の波形の頂点を結ぶ外形信号成分Ａ１と、周期が長い信号成分Ａ２（ｃｏｓ（２πｌ（ｎ１−ｎ２）／λ２））のみを示した図である。図２に示すように、和信号ｙ１＋ｙ２の波形の頂点を結ぶ外形信号成分Ａ１が１周する点、すなわち外径信号成分のゼロクロス点の周期は、周期が長いｃｏｓ（２πｌ（ｎ１−ｎ２）／λ２）の信号成分Ａ２の半周期と一致する。すなわち、次式（５）を満たす変位量ｌが与えられた際に、外形信号成分Ａ１が１周する。
【００１８】
【数４】
2010038649.tif 000006
【００１９】
この時の変位量ｌをｌＴとすると、変位量ｌＴは、次式（６）により求められる。
【数５】
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【００２０】
すなわち、２つのレーザ光の屈折率差と短波長レーザ光の波長により、変位量ｌＴを演算することが可能となる。
【００２１】
一方、被測定対象を走査した際、測定反射部の変位量がＤであったとすると、検出部から出力される干渉信号の変化量は、次式により表される。
【００２２】
【数６】
2010038649.tif 000008
【００２３】
ここで、長波長レーザ光は、測定光分離手段により分離され測定反射部に到達せず、長波長反射部により反射されて検出部に導かれるため、測定反射部の変位の影響を受けない。したがって、これらの干渉信号の和信号ｙ１＋ｙ２の変化は、ｙ２の変化によって与えられる。
図３は、測定反射部の変位に伴う和信号の変化を示す図である。この図３において、上から順に、（７）式中の位相変化量が＋０、＋０．５π、＋１．０π、＋１．５πに変化した場合の信号波形をそれぞれ示す。
この図３からも分かるように、測定反射部の変位量Ｄは、次式を満たすときに、１周期となる。
【００２４】
【数７】
2010038649.tif 000009
【００２５】
この時の変位量ＤをＤＴとすると、変位量ＤＴは、次式（９）により求められる。
【数８】
2010038649.tif 000010
【００２６】
参照光路における参照反射部をｌＴだけ変位させた場合と、測定光路における測定反射部をＤＴだけ変位させた場合とでは、和信号の変化量が等価であり、これらの変位量ｌＴとＤＴとの比をＫとすると、次式により表される。
【００２７】
【数９】
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【００２８】
このＫは、各レーザ光の屈折率により与えられる定数（ここでは環境因子定数と称す）となり、温度、気圧、湿度、および二酸化炭素濃度などの測定環境因子により決定される値となり、例えば温度計、気圧計、湿度計、ＣＯ２濃度計などを用いることで容易にその値を演算することができる。
また、上記（１０）式により、次式が成立する。
【００２９】
【数１０】
2010038649.tif 000012
【００３０】
すなわち、参照反射部の変位量ｌと、測定反射部の変位量Ｄが線形関係となる。したがって、変位制御手段により、和信号の位相が変化しないように参照反射部を変位させ、参照変位量検出手段によりこの変位量ｌを検出し、測定変位量演算手段により上記（１１）式に基づいて測定反射部の変位量Ｄを演算することが可能となる。
このような変位検出装置および変位検出方法では、例えば空気中ではＫの値が４．２×１０−６程度であり、１よりも十分に小さい値となるため、測定反射部の変位量Ｄが微小である場合でも、参照反射部の変位量ｌに変換すると大きな値となる。例えば、参照反射部の変位量ｌを１０μｍ程度で測定することで、測定反射部の変位量Ｄをピコメートル単位で高精度に測定することができる。すなわち、波長が短いＸ線などを用いる必要がなく、複雑な光学系や高価な光学部品を用いた大型の装置を構成する必要もなく、簡単な構成で変位測定装置を構成することができる。これに加えて、可視域のレーザ光や近赤外域のレーザ光を用いることができるため、光源の安定性を確保でき、光源から特定の波長のレーザ光を射出する構成であるため、波長可変レーザで問題となる光学部品の分散の影響も問題なく、高度な波長安定性も実現できる。さらに、上述したように、ピコメートル単位の高精度な変位測定が可能であり、狭範囲における測定精度を向上させることができる。
【００３１】
また、本発明の変位測定装置では、前記参照変位量検出手段は、前記長波長レーザ光に対する干渉信号に基づいて前記参照反射部の変位量を検出することが好ましい。
【００３２】
この発明によれば、参照変位量検出手段は、長波長レーザ光の干渉信号に基づいて参照反射部の変位量を検出する。ここで、測定光路側に射出された長波長レーザ光は、測定光分離手段により分離され、長波長反射部により反射され、測定反射部には到達しない。すなわち、参照反射部の変位量ｌは、上述した（１）式により、長波長レーザ光の波長λ１および長波長レーザ光の屈折率ｎ１を用いて、容易にかつ正確に、ナノメートル単位の変位量を演算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明に係る一実施の形態の変位測定装置としてのレーザ干渉測長装置を図面に基づいて説明する。
図４は、本発明に係る一実施の形態のレーザ干渉測長装置の概略構成を示すブロック図である。
【００３４】
図４において、レーザ干渉測長装置１は、例えばステージ２上の被測定対象３の変位量Ｄを測定する装置である。このようなレーザ干渉測長装置１は、精密部品などの製造に使用される工作機械や、高精度測定機、微細形状測定装置などに組み込むことで、被測定対象の変位量を１０−１２ｍ単位で高精度に測定することを可能にする。なお、本実施の形態では、ステージに設けられた被測定対象３の変位量を測定するレーザ干渉測長装置１を例示するが、例えば変位評価校正装置として容量型変位計、デジタルスケールなどの評価や校正ができる。そして、レーザ干渉測長装置１は、図４に示すように、レーザ干渉測長計１００と、環境モニタ５００と、測長制御部６００とを備えて構成されている。
【００３５】
［レーザ干渉測長計の構成］
図５は、レーザ干渉測長装置１におけるレーザ干渉測長計１００の光学系の概略を示すブロック図である。なお、図５において、破線は長波長レーザ光の光路を示し、実線は短波長レーザ光の光路を示す。
図５に示すように、レーザ干渉測長計１００は、光源としての光源部１１０と、偏光分離手段および光重ね合わせ手段としての偏光ビームスプリッタ１２０と、測定側光路長変更手段および参照側光路長変更手段の一部を構成する光路長変更コーナキューブ１３０と、参照光路２００と、測定光路３００と、干渉測長光路４００と、を備えている。
【００３６】
光源部１１０は、波長が１０６４ｎｍである長波長レーザ光と、長波長レーザ光の半分の波長、すなわち波長が５３２ｎｍである短波長レーザ光を偏光ビームスプリッタ１２０に向かって射出する。この光源部１１０としては、１０６４ｎｍの長波長レーザ光を射出するレーザ光源を用い、例えば波長変換素子を用いて、長波長レーザ光の第２高調波を出力させて短波長レーザ光を得る構成としてもよく、長波長レーザ光を射出するレーザ光源および短波長レーザ光を射出するレーザ光源から、それぞれの波長のレーザ光を射出させる構成であってもよい。また、射出させるレーザ光として、本実施の形態では、波長１０６４ｎｍの長波長レーザ光と、波長５３２ｎｍの短波長レーザ光とを例示するが、これに限定されず、２つのレーザ光の波長が倍数関係にあるものであれば、いかなる波長を選択してもよい。
【００３７】
偏光ビームスプリッタ１２０は、光源部１１０から射出されたレーザ光を偏光方向の違いにより測定光路３００および参照光路２００に射出する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１２０は、断面が平行四辺形の柱状の透光性部材が複数張合わされた形状を有している。界面には、偏光分離膜と反射膜とが交互に設けられている。偏光分離膜は、Ｓ偏光光を分離し、Ｐ偏光光を透過する。反射膜は、Ｓ偏光光を反射する。
このような偏光ビームスプリッタ１２０に入射したレーザ光は、点Ｂにおける偏光分離膜にて、Ｓ偏光光が反射され、Ｐ偏光光が透過して２つの直線偏光光に分離される。偏光分離膜にて分離されたＳ偏光は、反射膜にて反射し、参照光路２００に面する偏光ビームスプリッタ１２０の一端面から射出される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光は、測定光路３００に面する偏光ビームスプリッタ１２０の一端面から射出される。
【００３８】
また、偏光ビームスプリッタ１２０は、参照光路２００から入射したレーザ光と測定光路３００から入射したレーザ光とを合成して光源部１１０側に設けられた干渉測長光路４００に向かって射出する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１２０は、参照光路２００から入射したＳ偏光光を反射させ、測定光路３００から入射したＰ偏光光を透過させる。これにより、参照光路２００から入射したＳ偏光光と測定光路３００から入射したＰ偏光光が重ね合わされた干渉波となり、干渉測長光路４００に射出される。
ここで、参照光路２００から入射したＰ偏光光は、そのまま透過され、参照光路２００とは反対側の端面から光路長変更コーナキューブ１３０に向かって射出される。また、測定光路３００から入射したＳ偏光光は、反射膜にて反射されて光路長変更コーナキューブ１３０に向かって射出される。さらに、光路長変更コーナキューブ１３０側から入射したＰ偏光光は、そのまま透過されて参照光路２００側に射出され、Ｓ偏光光は、反射膜にて反射されて測定光路３００側に射出される。
【００３９】
光路長変更コーナキューブ１３０は、図５に示すように、直角三面鏡を有する光学部品である。この光路長変更コーナキューブ１３０は、偏光ビームスプリッタ１２０から入射したレーザ光を、３つの鏡面により反射させて、再び偏光ビームスプリッタ１２０側に射出する。
また、光路長変更コーナキューブ１３０や、後述する参照反射部としての参照コーナキューブ２２０、後述する測定反射部としての測定コーナキューブ３４０、後述する長波長反射部としての長波長コーナキューブ３３０を用いることで、偏光ビームスプリッタ１２０における所定点（図５における点Ａ）にて反射された光を集光することができ、良好な干渉波を形成することができる。また、この点Ａを通過する光路上に干渉測長光路４００を形成することで、図５に示すように、光源部１１０から射出されたレーザ光の入射光路と、干渉測長光路４００とをずらすことができるため、干渉測長光路４００内に入射光路のレーザ光に干渉せずに光学部品を配置することが可能となる。なお、本実施の形態では、光路長変更コーナキューブ１３０によりレーザ光を反射される構成としたが、例えばミラーによりレーザ光を反射させる構成としてもよい。
【００４０】
参照光路２００には、λ／４板２１０と、参照反射部としての参照コーナキューブ２２０とが配置されている。なお、λ／４板２１０と光路長変更コーナキューブ１３０とにより本発明の参照側光路長変更手段が構成される。
【００４１】
λ／４板２１０は、偏光ビームスプリッタ１２０を通過したＳ偏光光のレーザ光のうち、波長１０６４ｎｍの長波長レーザ光にのみ有効に作用する位相差板である。すなわち、このλ／４板２１０は、長波長レーザ光に対して円偏光光に変換して射出する。
【００４２】
参照コーナキューブ２２０は、前述した光路長変更コーナキューブ１３０と同様に、直角三面鏡を有する光学部品である。この参照コーナキューブ２２０は、偏光ビームスプリッタ１２０側から入射したレーザ光を、３つの鏡面により反射させて、再び偏光ビームスプリッタ１２０側に射出する。この時、上述したように、参照コーナキューブ２２０は、偏光ビームスプリッタ１２０における点Ａを通る光路上に、レーザ光を反射させる。
また、参照コーナキューブ２２０は、参照光路２００の光路に沿って変位可能に設けられ、図示しない駆動手段により参照光路上で進退駆動可能となっている。この駆動手段は、測長制御部６００により、例えば１０−９ｍ単位で精密に動作が制御されている。
【００４３】
この参照光路２００に射出されたレーザ光は次のような光路を通過する。
すなわち、偏光ビームスプリッタ１２０から射出された長波長レーザ光のＳ偏光光は、λ／４板２１０により円偏光光に変換されて参照コーナキューブ２２０に入射する。そして、この長波長レーザ光は、参照コーナキューブ２２０にて反射され、再びλ／４板２１０を通過して偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。この時、長波長レーザ光は、λ／４板２１０により偏光方向が変更され、つまりＰ偏光光に変換される。この後、このＰ偏光光の長波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０の点Ａを通過して、参照光路２００とは反対側の端面から射出され、光路長変更コーナキューブ１３０に反射される。そして、再び偏光ビームスプリッタ１２０に入射して、点Ｂを通過して参照光路２００側に射出される。この後、このＰ偏光光の長波長レーザ光は、λ／４板２１０を透過することで、円偏光光に変換され、参照コーナキューブ２２０にて反射された後、再びλ／４板２１０を通過して、偏光方向が偏光されたＳ偏光光に変換される。その後、再び偏光ビームスプリッタ１２０に入射し、点Ａにおいて、反射膜に反射されることで干渉測長光路４００側に向かって射出される。すなわち、長波長レーザ光は、λ／４板２１０および光路長変更コーナキューブ１３０により、偏光ビームスプリッタ１２０および参照コーナキューブ２２０間の参照光路２００内を２往復する。
【００４４】
一方、偏光ビームスプリッタ１２０から射出された短波長レーザ光のＳ偏光光は、λ／４板２１０の影響を受けず、Ｓ偏光光のまま参照コーナキューブ２２０に入射する。そして、短波長レーザ光は、参照コーナキューブ２２０にて反射され、再びλ／４板２１０を通過して偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。この時も同様に、短波長レーザ光は、λ／４板２１０の影響を受けず、Ｓ偏光光のまま偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。そして、短波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタにおける点Ａで、反射膜に反射されて干渉測長光路４００側に向かって射出される。
【００４５】
測定光路３００には、λ／４板３１０と、測定光分離手段としてのダイクロイックミラー３２０と、長波長反射部としての長波長コーナキューブ３３０と、測定反射部としての測定コーナキューブ３４０とが配置されている。なお、λ／４板３１０と光路長変更コーナキューブ１３０とにより本発明の測定側光路長変更手段が構成される。
【００４６】
λ／４板３１０は、参照光路２００のλ／４板２１０と同様に、偏光ビームスプリッタ１２０を通過したＰ偏光光のレーザ光のうち、波長１０６４ｎｍの長波長レーザ光にのみ有効に作用する位相差板である。すなわち、このλ／４板３１０は、長波長レーザ光に対して円偏光光に変換して射出する。
【００４７】
ダイクロイックミラー３２０は、波長１０６４ｎｍの長波長レーザ光を反射させ、波長５３２ｎｍの短波長レーザ光を透過させる。
長波長コーナキューブ３３０は、直角三面鏡を有する光学部品である。この長波長コーナキューブ３３０は、ダイクロイックミラー３２０にて反射された長波長レーザ光を、３つの鏡面により反射させて、再びダイクロイックミラー３２０側に射出する。この時、上述したように、長波長コーナキューブ３３０は、偏光ビームスプリッタ１２０における点Ａを通る光路上に、長波長レーザ光を反射させる。
【００４８】
測定コーナキューブ３４０は、前述した光路長変更コーナキューブ１３０や参照コーナキューブ２２０、長波長コーナキューブ３３０と同様に、直角三面鏡を有する光学部品である。この測定コーナキューブ３４０は、偏光ビームスプリッタ１２０側から入射した短波長レーザ光を３つの鏡面により反射させて、再び偏光ビームスプリッタ１２０側に射出する。この時、上述したように、測定コーナキューブ３４０は、偏光ビームスプリッタ１２０における点Ａを通る光路上に、短波長レーザ光を反射させる。
【００４９】
この測定光路３００に射出されたレーザ光は次のような光路を通過する。
すなわち、偏光ビームスプリッタ１２０から射出された長波長レーザ光のＰ偏光光は、λ／４板３１０により円偏光光に変換された後、ダイクロイックミラー３２０にて反射され、長波長コーナキューブ３３０に入射する。そして、この長波長レーザ光は、長波長コーナキューブ３３０にて反射された後、ダイクロイックミラー３２０にて偏光ビームスプリッタ１２０側に反射され、λ／４板３１０を通過して偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。この時、長波長レーザ光は、λ／４板３１０により偏光方向が変更されたＳ偏光光に変換される。この後、このＳ偏光光の長波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０の点Ａにて反射され、参照光路２００とは反対側の端面から射出され、光路長変更コーナキューブ１３０に反射される。そして、再び偏光ビームスプリッタ１２０に入射して、点Ｂにて反射され、測定光路３００側に射出される。この後、このＳ偏光光の長波長レーザ光は、λ／４板３１０を透過することで、円偏光光に変換され、ダイクロイックミラー３２０を経て長波長コーナキューブ３３０にて反射される。そして、ダイクロイックミラー３２０により偏光ビームスプリッタ１２０側に反射された後、再びλ／４板３１０を通過して、偏光方向が変更されたＰ偏光光に変換される。その後、再び偏光ビームスプリッタ１２０に入射し、点Ａを透過して干渉測長光路４００側に向かって射出される。すなわち、長波長レーザ光は、λ／４板３１０、光路長変更コーナキューブ１３０、ダイクロイックミラー３２０、長波長コーナキューブ３３０により、偏光ビームスプリッタ１２０および長波長コーナキューブ３３０間を２往復する。
【００５０】
一方、偏光ビームスプリッタ１２０から射出された短波長レーザ光のＰ偏光光は、λ／４板３１０の影響を受けず、ダイクロイックミラー３２０を透過し、測定コーナキューブ３４０に入射する。そして、短波長レーザ光は、測定コーナキューブ３４０にて反射され、ダイクロイックミラー３２０およびλ／４板３１０を通過して偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。この時も同様に、短波長レーザ光は、λ／４板３１０の影響を受けず、Ｐ偏光光のまま偏光ビームスプリッタ１２０に入射する。そして、短波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタにおける点Ａを透過して干渉測長光路４００側に向かって射出される。
【００５１】
干渉測長光路４００には、偏光ビームスプリッタ１２０からの射出されたレーザ光を反射する平面鏡４１０と、平面鏡４１０に反射されたレーザ光を受光する検出手段としての位相検出部４２０とが配置されている。
【００５２】
位相検出部４２０は、偏光ビームスプリッタ１２０により重ね合わされた２波長のレーザ光の干渉波をそれぞれ受光し、波長毎に各レーザ光の干渉波に対する干渉信号を測長制御部６００に出力する。
【００５３】
［環境モニタの構成］
環境モニタ５００は、例えば温度計、気圧計、湿度計、ＣＯ２濃度計などの計測器を備えている。そして、この環境モニタ５００は、これらの計測器により、空気屈折率の算出に必要となる環境因子（温度、気圧、湿度、ＣＯ２濃度）を測定し、その測定値を測長制御部６００に出力する。なお、ＣＯ２濃度の影響は特に少ないため、ＣＯ２濃度計で測定する必要は必ずしもなく、適当な値、例えば４５０ ppmなどと固定しておいてもよい。
【００５４】
［測長制御部の構成］
測長制御部６００は、レーザ干渉測長計１００に接続されるとともに、レーザ干渉測長計から出力される干渉信号に基づいて、参照コーナキューブ２２０や測定コーナキューブ３４０の変位量を演算する。また、測長制御部６００は、レーザ干渉測長計における参照コーナキューブ２２０を所定方向に移動させる制御を実施する。この測長制御部６００としては、例えばパーソナルコンピュータなどの汎用コンピュータを用いてもよく、専用の制御機器を用いてもよい。
この測長制御部６００における具体的な構成は図示を省略するが、装置全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ユーザにより入力操作が可能なキーボードやマウスなどの入出力手段、ＣＰＵにて演算されるデータが一時記憶されるメモリや各種データやプログラムなどが記録されるＨＤＤなどの記憶手段などを備えて構成されている。
そして、この測長制御部６００の記憶手段には、ＣＰＵにて演算処理させる各種プログラムとして、図４に示すように、環境因子読込手段６１０と、屈折率演算手段６２０と、環境因子定数演算手段６３０と、干渉信号読込手段６４０と、和信号演算手段６５０と、変位制御手段６６０と、参照変位量演算手段６７０と、測定変位量演算手段６８０と、などを備えている。なお、本実施の形態において、これらの構成がプログラムとして記憶され、ＣＰＵにて演算処理される構成を例示するがこれに限定されず、例えば、各構成がＩＣチップなどの集積回路にて構成されるものであってもよい。
【００５５】
環境因子読込手段６１０は、環境モニタ５００から入力される測定データ（温度データ、気圧データ、湿度データ、ＣＯ２濃度データ）を読み込む。すなわち、環境因子読込手段６１０は、これらの測定データを例えばメモリに書き込んで一時記憶させ、ＣＰＵにて処理可能な状態とする。
【００５６】
屈折率演算手段６２０は、環境因子読込手段６１０により読み込まれた環境因子である測定データを用いて、長波長レーザ光（１０６４ｎｍ）の空気屈折率ｎ１および短波長レーザ光（５３２ｎｍ）の空気屈折率ｎ２を演算する。ここで、屈折率演算手段６２０は、これらの測定データを用いて、例えばCiddorの式（参考：P. E. Ciddor, “Refractive index of air; new equations for visible and near infrared,” Appl. Opt. 35, 1566-1573 (1996).）により、空気屈折率ｎ１，ｎ２を演算する。
【００５７】
環境因子定数演算手段６３０は、屈折率演算手段６２０により演算された空気屈折率ｎ１，ｎ２を用いて、上述した（１０）式に基づいて、環境因子定数Ｋを演算する。
【００５８】
干渉信号読込手段６４０は、レーザ干渉測長計１００から出力される各波長のレーザ光に対する干渉信号を読み込む。すなわち、干渉信号読込手段６４０は、干渉波の干渉信号を例えばメモリに書き込んで一時記憶させ、ＣＰＵにて処理可能な状態とする。
【００５９】
和信号演算手段６５０は、読み込まれた干渉信号に基づいて、長波長レーザ光に対する干渉信号および短波長レーザ光に対する干渉信号の和信号を演算する。ここで、和信号演算手段は、上述した（１）（２）（４）式に基づいて、干渉信号ｙ１、ｙ２、およびこれらの和信号ｙ１＋ｙ２を演算する。
【００６０】
変位制御手段６６０は、参照コーナキューブ２２０に設けられる駆動手段の駆動を制御し、参照コーナキューブ２２０を参照光路２００に沿って変位させる。
この時、変位制御手段６６０は、和信号演算手段６５０にて演算された和信号ｙ１＋ｙ２がゼロクロス点となるように、参照コーナキューブ２２０を変位させる。
【００６１】
参照変位量演算手段６７０は、変位制御手段６６０により参照コーナキューブ２２０が移動された際に、その変位量を算出する。この時、参照変位量演算手段６７０は、測定コーナキューブ３４０の移動に関与しない長波長レーザ光に対する干渉信号ｙ１に基づいて、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌを算出する。すなわち、上述した（１）式に、屈折率演算手段６２０により演算された長波長レーザ光の空気屈折率ｎ１、および干渉信号読込手段６４０により読み込まれた長波長レーザ光の干渉信号ｙ１を代入して、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌを求める。
【００６２】
測定変位量演算手段６８０は、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌ、および環境因子定数演算手段６３０により演算された環境因子定数Ｋにより、上記（１１）式を用いて測定コーナキューブ３４０の変位量を算出する。
【００６３】
〔レーザ干渉測長装置における変位測定原理〕
次に、上述したようなレーザ干渉測長装置により被測定対象３の変位量を測定する際の測定原理について説明する。
上述したようなレーザ干渉測長計１００では、光源部１１０から１０６４ｎｍの長波長レーザ光と、５３２ｎｍの短波長レーザ光が射出されると、これらの各波長のレーザ光は以下のような光路を経て位相検出部４２０に受光される。
すなわち、各波長のレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０により偏光方向の違いに分離され、Ｓ偏光光のレーザ光は、参照光路２００に分離され、Ｐ偏光光のレーザ光は測定光路３００に分離されて、それぞれ射出される。
参照光路２００に射出された長波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０および参照コーナキューブ２２０の間を２往復し、短波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０および参照コーナキューブ２２０の間を１往復する。一方、測定光路３００に射出された長波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０および長波長コーナキューブ３３０の間を２往復し、短波長レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０および測定コーナキューブ３４０の間を１往復する。また、各レーザ光はこの後、偏光ビームスプリッタ１２０にて再び合成され、それぞれ干渉測長光路４００に射出され、位相検出部４２０に受光される。この位相検出部４２０では、光電変換により干渉波に応じた干渉信号が生成され、測長制御部６００に出力される。
【００６４】
ここで、上述したように、参照コーナキューブ２２０が変位量ｌだけ変位した場合、長波長レーザ光は光路長が短波長レーザ光の２倍となるため、これらの干渉信号ｙ１、ｙ２はそれぞれ、上述したような（１）（２）式にて表される。また、これらの干渉信号の和信号ｙ１＋ｙ２は、（４）式で示されるものとなる。ここで、図１に示されるように、変位量ｌがｌＴの時、和信号ｙ１＋ｙ２の信号頂点を結ぶ曲線である外形成分信号の周期は、周期が長いｃｏｓ（２πｌ（ｎ１−ｎ２）／λ２）の半周期分と一致する。すなわち、（５）（６）式が導き出される。
【００６５】
一方、測定コーナキューブ３４０の変位量をＤとした場合、短波長レーザ光の干渉信号ｙ２は、（７）式に示すものとなる。ここで、図３からも分かるように、干渉信号ｙ２の周期は２πとなる。したがって、この時の変位量ＤをＤＴと定義した場合、（９）式が成立する。
【００６６】
また、参照光路２００における参照コーナキューブ２２０をｌＴだけ変位させた場合と、測定光路３００における測定コーナキューブ３４０をＤＴだけ変位させた場合とでは、和信号ｙ１＋ｙ２の変化量が等価であり、これらの変位量ｌＴとＤＴとの比を環境因子定数Ｋとすると、（１０）式にて示され、（１１）式が導き出される。
【００６７】
また、環境因子定数Ｋは、（１０）式に示すように、各レーザ光の空気屈折率ｎ１，ｎ２により算出されるものである。この空気屈折率ｎ１，ｎ２は、環境因子（温度、気圧、湿度、ＣＯ２濃度）によりＣｉｄｄｏｒの式により導き出される。
ここで、この各環境因子の標準値を図６に示す値に定義する。図７は、気圧、湿度、ＣＯ２濃度を図６に示す標準値に保った状態で、温度を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。図８は、温度、湿度、ＣＯ２濃度を図６に示す標準値に保った状態で、気圧を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。図９は、温度、気圧、ＣＯ２濃度を図６に示す標準値に保った状態で、湿度を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。図１０は、温度、気圧、湿度を図６に示す標準値に保った状態で、ＣＯ２濃度を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。
図７ないし図１０からも分かるように、Ｋの値は４．２×１０−６程度の値であり、空気屈折率ｎ２≒ｎ１≒１であることから、ｎ２−ｎ１も同様に４．２×１０−６であることが分かる。
【００６８】
したがって、環境因子定数Ｋは１よりも十分に小さい値となり、（１１）式から参照コーナキューブ２２０の変位量ｌを測定することで、測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄを高精度に測定することが可能となる。
【００６９】
〔レーザ干渉測長装置における変位測定方法〕
次に、上述したレーザ干渉測長装置１を用いた被測定対象の変位量Ｄの測定方法について説明する。
図１１は、レーザ干渉測長装置１を用いた変位測定方法のフローチャートである。
【００７０】
図１１に示すように、レーザ干渉測長装置１を用いた変位測定方法では、まず、初期設定として、各レーザ光の干渉信号の和信号ｙ１＋ｙ２がゼロクロス点となるように、参照コーナキューブ２２０を変位させる。これには、測長制御部６００は、干渉信号読込手段６４０により、各レーザ光の干渉信号ｙ１，ｙ２を読み込み、和信号演算手段６５０にてこれらの干渉信号ｙ１，ｙ２の合成信号である和信号ｙ１＋ｙ２を演算する。そして、測長制御部６００の変位制御手段６６０は、この和信号ｙ１＋ｙ２を参照しながら、駆動手段を駆動させて参照コーナキューブ２２０を変位させ、和信号ｙ１＋ｙ２がゼロクロス点に一致した位置で、参照コーナキューブ２２０の移動を停止させる（ステップＳ１０１）。
【００７１】
また、測長制御部６００は、環境因子読込手段６１０にて環境モニタ５００から入力される環境因子の測定データを読み込み、屈折率演算手段６２０により、これらの測定データからＣｉｄｄｏｒの式により、各レーザ光の空気屈折率ｎ１，ｎ２を演算する（ステップＳ１０２）。さらに、測長制御部６００の環境因子定数演算手段６３０は、この空気屈折率ｎ１，ｎ２から、（１０）式を用いて、環境因子定数Ｋを演算する（ステップＳ１０３）。ここで、演算される環境因子定数Ｋは、各環境因子の違いにより僅かに差はあるが、図７ないし図１０に示すように、ほぼ４．２×１０−６程度の値となる。
【００７２】
この後、被測定対象３が固定された測定コーナキューブ３４０を変位させる（ステップＳ１０４）。
この際、測定コーナキューブ３４０の変位により、干渉信号ｙ２が変化するため、和信号ｙ１＋ｙ２も変化するが、この変化を打ち消すように、参照コーナキューブ２２０を変位させる。すなわち、測長制御部６００は、和信号演算手段６５０にて演算された和信号ｙ１＋ｙ２が常にゼロクロス点となるように、変位制御手段６６０にて参照コーナキューブ２２０を変位させる（ステップＳ１０５）。
【００７３】
また、参照変位量演算手段６７０は、干渉信号ｙ１の変化量に基づいて、ステップＳ１０１にて設定された参照コーナキューブ２２０の初期位置から、参照コーナキューブ２２０を変位させた量を演算する（ステップＳ１０６）。この際、参照変位量演算手段６７０は、ステップＳ１０２にて算出した長波長レーザ光の空気屈折率ｎ１、および干渉信号読込手段６４０により読み込まれた長波長レーザ光の干渉信号ｙ１を用い、（１）式により変位量ｌを演算する。
【００７４】
そして、測長制御部６００の測定変位量演算手段６８０は、ステップＳ１０３にて演算した環境因子定数Ｋ、およびステップＳ１０６にて演算した変位量ｌを用い、（１１）式により測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄを演算する（ステップＳ１０７）。
【００７５】
〔不確かさ解析〕
次に、上記のような変位測定方法における不確かさ解析を以下に示す。
上述した（１１）式を微分すると、次式が得られる。
【００７６】
【数１１】
2010038649.tif 000013
【００７７】
上記（１２）式の第１項において、δＫは、環境因子定数Ｋの値の不確かさ、δｌは、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌの値の不確かさをそれぞれ示す。
図７ないし図１０に示した結果により、例えば温度を０．１℃、気圧を１ｈＰａ、湿度を３％で測定した場合、環境因子定数Kの不確かさは、δK≒２．０×１０−９となる。ここで、これらの測定値は、市販の一般的な温度計、気圧計、湿度計により容易に測定可能な精度であり、これらの市販の計測器にて計測した環境因子定数Kの不確かさδKであっても十分に小さい値となる。なお、ＣＯ２濃度の影響は他の測定環境因子に比べて十分小さく、ＣＯ２濃度の変化による環境因子定数Kの不確かさδＫは、上記の値よりもさらに小さくなる。このためＣＯ２濃度の測定は必ずしも行わなくてよい。
【００７８】
ここで、例えば、環境因子定数Kの不確かさδＫ＝２．０×１０−９、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌ＝６３．３３ｍｍとすると、δＫｌ≒０．１２６６ｎｍとなる。また、変位量ｌは、上記レーザ干渉測長装置における測定系では、測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄ＝２６６ｎｍと、環境因子定数Ｋを用いて対応付けられる。したがって、測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄを０．１２６６ｎｍの精度で測定可能となる。
【００７９】
上述したように、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌは、１０６４ｎｍの長波長レーザ光を用い、その干渉信号に基づいて（１）式により求める。したがって、変位量ｌの測定精度δｌは、マイクロメートル単位を容易に実現できる。したがって、上記（１２）式の第２項に対して、環境因子定数Ｋ≒４．２×１０−６、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌの測定精度δｌを１０μｍとすると、δＫｌ≒４．２×１０−１１となる。したがって、第２項のδＫｌの不確かさは極めて小さい値となる。
【００８０】
以上のように、環境因子定数Ｋの環境因子による変化は実用上十分に小さく、また参照コーナキューブ２２０の変位量ｌの測定値に含まれる不確かさは縮小される効果がある。このため、（１１）式を用いることにより、測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄを高精度に測定することが可能となる。
【００８１】
〔レーザ干渉測長装置の作用効果〕
上述したようなレーザ干渉測長装置１では、レーザ干渉測長計１００として、光源部１１０から、倍数関係となる２波長のレーザ光、すなわち１０６４ｎｍの長波長レーザ光と、５３２ｎｍの短波長レーザ光とを射出させる。そして、偏光ビームスプリッタ１２０により、これらのレーザ光を偏光方向の違いにより、参照光路２００および測定光路３００との２方向に分離させる。また、この参照光路２００には、光軸に沿って変位可能な参照コーナキューブ２２０がもうけられ、測定光路３００には、被測定対象が固定される測定コーナキューブ３４０が光軸に沿って変位可能に設けられている。また、偏光ビームスプリッタ１２０の参照光路２００とは反対側となる端面に対応して、光路長変更コーナキューブ１３０が設けられ、参照光路２００には、長波長レーザ光にのみに対応するλ／４板２１０が配置され、偏光ビームスプリッタ１２０および参照コーナキューブ２２０間で長波長レーザ光を２往復させて、光路長を変更している。また、測定光路３００には、長波長レーザ光にのみに対応するλ／４板３１０と、長波長レーザ光のみを反射して、長波長コーナキューブ３３０側に誘導するダイクロイックミラー３２０、および長波長コーナキューブ３３０が設けられており、これらの光学部品と前記光路長変更コーナキューブ１３０とにより、測定光路３００側に射出された長波長レーザ光を、偏光ビームスプリッタ１２０および長波長コーナキューブ３３０間で２往復させ、光路長を変更している。そして、偏光ビームスプリッタ１２０は、参照光路２００および測定光路３００から入射する波長毎のレーザ光をそれぞれ合成して干渉波とし、干渉測長光路４００の位相検出部４２０において、干渉波の干渉信号を検出し、測長制御部６００に出力する。また、測長制御部６００は、検出された各波長のレーザ光に対する干渉信号ｙ１，ｙ２を合成した和信号ｙ１＋ｙ２を演算する和信号演算手段６５０と、この和信号ｙ１＋ｙ２がゼロクロス点となるように、参照コーナキューブ２２０を変位させる変位制御手段６６０とを備えている。そして、測長制御部６００の参照変位量演算手段６７０は、変位制御手段６６０にて変位された参照コーナキューブ２２０の変位量を算出し、測定変位量演算手段６８０は、この算出された参照コーナキューブ２２０により測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄを演算する。
【００８２】
また、上記レーザ干渉測定装置を用いたレーザ干渉測定方法では、上述のように、検出された干渉信号ｙ１、ｙ２の和信号ｙ１＋ｙ２を演算し、この和信号ｙ１＋ｙ２がゼロクロス点となるように、参照コーナキューブ２２０を変位させる。そして、この参照コーナキューブ２２０の変位量に基づいて、測定コーナキューブ３４０の変位量を演算する。
【００８３】
上述したようなレーザ干渉測長装置およびレーザ干渉測長方法を用いると、（１１）式で示されるような関係式にて、測定コーナキューブ３４０の変位量を求めることができる。すなわち、１よりも十分に小さい環境因子定数Ｋと、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌとの積により、測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄを求めることができる。ここで、環境因子定数Ｋは、空気中において、４．２×１０−６程度の値となるため、参照コーナキューブ２２０の変位量ｌを例えばμｍ単位で測定することで、測定コーナキューブ３４０の変位量Ｄとしてピコメートル単位で演算により求めることができる。また、レーザ干渉測長計の自由な位置にアライメントが可能であり、狭範囲において上述な高精度な変位量の測定を実施できる。
したがって、可視域以外の短波長レーザ光やＸ線などのより短い波長を用いた測定に比べて、安全性を確保することができるとともに、装置全体の構成も簡単となり、レーザ干渉測長計の小型化、コストの低減を図ることができる。また、レーザ光を複雑な光学系内で複数往復させて光路長を倍増させることもなく、比較的単純な光路を形成すればよいため、光学系が複雑化せず、構成が簡単となり、かつレーザ光の光量の低下を抑えた安定した測定を実施できる。さらに、可変レーザ光を用いることもないため、レーザ光の分散の影響もなく、所定波長のレーザ光を安定供給することができる。以上により、簡単な構成で、安定性、安全性を十分に確保でき、かつ高精度な変位測定を実施することができるレーザ干渉測長装置１および変位測定方法を実現することができる。
【００８４】
また、参照変位量演算手段６７０は、干渉信号読込手段６４０により認識された長波長レーザ光の干渉信号ｙ１と、環境モニタ５００から出力される環境因子の測定データに基づいて屈折率演算手段６２０により算出された長波長レーザ光の空気屈折率ｎ１とにより、（１）式を用いて演算により参照コーナキューブ２２０の変位量ｌを算出する。
このため、参照コーナキューブ２２０の変位量を、長波長レーザ光の干渉信号から演算することで、例えば参照コーナキューブ２２０の変位方向に沿って目盛を設けてこの目盛を読み込む構成などと比べて、より精度よく変位量ｌを演算により求めることができる。また、具体的には、上記したように、容易にマイクロメートル単位の計測が可能であり、このような精度で参照コーナキューブ２２０の変位量を求めることで、測定コーナキューブ３４０の変位量を例えばピコメートル単位で、より高精度に測定することができる。
【００８５】
レーザ干渉測長計１００において、測定反射部として測定コーナキューブ３４０、参照反射部として参照コーナキューブ２２０、長波長反射部として長波長コーナキューブ３３０、測定側光路長変更手段の一部および参照側光路長変更手段の一部として光路長変更コーナキューブ１３０を用いている。これにより、偏光ビームスプリッタ１２０から干渉測長光路４００に射出されるレーザ光の光路が、光源部１１０から偏光ビームスプリッタ１２０に入射するレーザ光の光路と、平行に形成され、光源部１１０から偏光ビームスプリッタ１２０に入射するレーザ光と重なり合わない。すなわち、各波長のレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０における点Ｂにて測定光路３００および参照光路２００に分離されるとともに、これらのレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２０における点Ｂとは異なる点Ａにて合成されて干渉測長光路４００に向かって射出される。このような構成とすることで、干渉測長光路４００内のみに、平面鏡４１０を配置することができ、光源部１１０から偏光ビームスプリッタ１２０までの光路内のレーザ光が阻害されることがない。なお、一方側からの入射光のみを透過し、他方側からの入射光を反射させる光学部材を用いてもよいが、この場合、偏光ビームスプリッタ１２０から干渉測長光路４００に向かうレーザ光が光源部のレーザ光源に入射してしまい、レーザ光源における発振が不安定になるおそれがあり、安定したレーザ光を射出できないという問題がある。また、光源部１１０から射出されたばかりのレーザ光の一部が光学部材で反射されて位相検出部４２０に入射してしまうおそれもあり、この場合、正確な測定が困難となる。これに対して、上記構成とすることで、偏光ビームスプリッタ１２０にて合成されたレーザ光のみを位相検出部４２０に入射させることができ、より高精度な測定を実施することができる。
【００８６】
〔実施の形態の変形〕
なお、本発明は、上述した一実施の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以下に示される変形をも含むものである。
【００８７】
例えば、上記実施の形態では、和信号ｙ１＋ｙ２と短波長レーザ光に対する干渉信号ｙ２との干渉信号周期を一致させるために、和信号ｙ１＋ｙ２がゼロクロス点となるように参照コーナキューブ２２０を変位させたが、これに限らない。すなわち、被測定対象の変位測定中に、和信号ｙ１＋ｙ２の位相が変化しないように参照コーナキューブ２２０を変位させればよく、例えば、ゼロクロス点以外の所定点に制御点を設ける構成としてもよい。つまり、制御点を和信号ｙ１＋ｙ２の振幅が１．０となる点を設定し、測定初期状態、およびステップＳ１０５の参照コーナキューブ２２０の変位制御時に、和信号ｙ１＋ｙ２の値が制御点である１．０となるように参照コーナキューブ２２０を移動させる制御をする構成としてもよい。
【００８８】
測定反射部として測定コーナキューブ３４０、参照反射部として参照コーナキューブ２２０、長波長反射部として長波長コーナキューブ３３０、測定側光路長変更手段の一部および参照側光路長変更手段の一部として光路長変更コーナキューブ１３０を用いる構成を示したが、これに限定されない。例えば、レーザ光を反射させる反射部として、光路に対して直交する面を有する反射ミラーであってもよく、このような構成では、部品コストを低減させることができる。
【００８９】
また、上述したように、光源部１１０としては、１つのレーザ光源から１０６４ｎｍの長波長レーザ光を射出し、波長変換素子により、このうち一部のレーザ光を、５３２ｎｍの短波長レーザ光として射出させる構成としてもよい。また、１つのレーザ光源から５３２ｎｍのレーザ光を射出させ、波長変換素子により、このうち一部のレーザ光を１０６４ｎｍの長波長レーザ光に変換して射出させる構成としてもよい。さらには、１０６４ｎｍレーザ光専用のレーザ光源と、５３２ｎｍレーザ光専用のレーザ光源とを用いて、これら２種のレーザ光を射出させる構成としてもよい。
【００９０】
さらに、上記実施の形態では、レーザ干渉測長装置１を例示したが、これに限定されない。すなわち、上述したように、本発明の変位測定装置を、例えば従来のレーザ干渉測長計の内挿誤差の評価など実施するレーザ干渉測長評価装置としても利用することができる。また、容量型変位計やデジタルスケールなど各種変位測定機器の評価や校正に用いることもできる。さらに、各種微小変位素子のリニアリティの評価や物質の微小変形の計測などにも応用することができる。さらには、本発明の変位測定装置を高精度移動ステージ用センサとしてもよい。
【００９１】
そして、上記実施の形態では、個々の波長につき１つの干渉信号を利用したが、測定コーナキューブ３４０や参照コーナキューブ２２０の移動方向の判別や、干渉信号の強度変化に対応するために、位相検出部４２０の構成を４相位相計などとしてもよい。この場合、個々の波長につき９０度の位相のずれた２相正弦波信号を利用することができ、より高精度な測定を実施することができる。
【００９２】
また、上記実施の形態では、環境モニタ５００により環境因子（温度、気圧、湿度、ＣＯ２濃度）を測定する構成としたが、例えば市販の温度計、気圧、湿度、ＣＯ２によりこれらの環境因子を測定してもよく、この場合でも上述したように、環境因子定数Ｋの不確かさδＫの値は十分小さく、精度のよい測定を十分に実施することができる。また、環境モニタ５００により計測された環境因子の測定データを測長制御部６００に出力する構成としたが、例えば利用者が測長制御部６００に直接測定データを入力するものであってもよく、各レーザ光の屈折率ｎ１，ｎ２や環境因子定数Ｋをも使用者により直接入力される構成であってもよい。
【００９３】
また、測定側光路長変更手段、参照側光路長変更手段として、λ／４板２１０，３１０および光路長変更コーナキューブ１３０を用いて、長波長レーザ光に対して、偏光ビームスプリッタ１２０および長波長コーナキューブ３３０間を２往復、偏光ビームスプリッタ１２０および参照コーナキューブ２２０間を２往復させる構成としたが、例えば、３往復以上させる構成などとしてもよい。
【００９４】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、被測定対象の変位量を測定する変位測定装置、および変位測定方法として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】参照反射部の変位量に伴う和信号の変化を示す図である。
【図２】図１において、高速に変動する信号成分を省略した図である。
【図３】測定反射部の変位に伴う和信号の変化を示す図である。
【図４】本発明に係る一実施の形態のレーザ干渉測長装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】レーザ干渉測長装置におけるレーザ干渉測長計の光学系の概略を示すブロック図である。
【図６】環境因子の定義、および変動範囲を示す図である。
【図７】気圧、湿度、ＣＯ２濃度を図６に示す標準値に保った状態で、温度を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。
【図８】温度、湿度、ＣＯ２濃度を図６に示す標準値に保った状態で、気圧を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。
【図９】温度、気圧、ＣＯ２濃度を図６に示す標準値に保った状態で、湿度を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。
【図１０】温度、気圧、湿度を図６に示す標準値に保った状態で、ＣＯ２濃度を図６の変化範囲内で可変させた場合の環境因子定数Ｋの変化を示す図である。
【図１１】レーザ干渉測長装置を用いた変位測定方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００９７】
１    …変位測定装置としてのレーザ干渉測長装置
３    …被測定対象
１１０…光源としての光源部
１２０…偏光分離手段および光重ね合わせ手段としての偏光ビームスプリッタ
１３０…測定側光路長変更手段および参照側光路長変更手段の一部を構成する光路長変更コーナキューブ
２００…参照光路
２１０…参照側光路長変更手段の一部を構成するλ／４板
２２０…参照反射部としての参照コーナキューブ
３００…測定光路
３１０…測定側光路長変更手段の一部を構成するλ／４板
３２０…測定光分離手段としてのダイクロイックミラー
３３０…長波長反射部としての長波長コーナキューブ
３４０…測定反射部としての測定コーナキューブ
４２０…検出手段としての位相検出部
６５０…和信号演算手段
６６０…変位制御手段
６７０…参照変位量演算手段
６８０…測定変位量演算手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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