(57)【要約】    【課題】    安価で高精度の絶対位置の計測装置を提供する。    【解決手段】    計測装置１００は、第一の光線を射出する第一の光源１と、第一の光線より干渉性の低い第二の光線を射出する第二の光源２と、第一の光線に第二の光線を重ね合わせる第一のビームスプリッタ３と、第一のビームスプリッタからの射出光を計測光と参照光とに分岐する第二のビームスプリッタ４と、参照光及び計測光の反射光を合成して干渉信号を検出する干渉計測装置８と、干渉計測装置から出力された信号を処理する信号処理装置２０とを有し、第一の光線及び第二の光線の波長は同一に設定されており、信号処理装置２０は、第二の光源２から得られる干渉信号の強度を計測する信号強度計測部１４−１、１４−２、及び、第二の光源２から得られる干渉信号の強度の最大点を原点と判定する原点判定部１６を有する。【選択図】図２
2010038674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の光線を射出する第一の光源（１）と、
前記第一の光線より干渉性の低い第二の光線を射出する第二の光源（２）と、
前記第一の光線に前記第二の光線を重ね合わせる第一のビームスプリッタ（３）と、
前記第一のビームスプリッタからの射出光を計測光と参照光とに分岐する第二のビームスプリッタ（４）と、
前記参照光及び前記計測光の反射光を合成して干渉信号を検出する干渉計測装置（８）と、
前記干渉計測装置から出力された信号を処理する信号処理装置（２０）と、を有し、
前記第一の光線及び前記第二の光線の波長は同一に設定されており、
前記信号処理装置（２０）は、前記第二の光源から得られる干渉信号の強度を計測する信号強度計測部（１４−１、１４−２）、及び、該第二の光源から得られる干渉信号の強度の最大点を原点と判定する原点判定部（１６）、を有することを特徴とする絶対位置の計測装置。
【請求項２】
前記第一の光線と前記第二の光線の波長の誤差は２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の絶対位置の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶対位置の計測装置に係り、特に、二つの光源を用いて被計測物の絶対位置を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、干渉性と波長の異なる二つの光源を用いて被計測物の絶対位置を計測するレーザ干渉計が提案されている。このようなレーザ干渉計では、二つの光源のうち干渉性の低い光源による干渉信号の強度が最大となる点、又は、双方の光源による干渉信号の位相が一致した点に最も近い干渉性の高い光源による干渉信号位相の特定点を被計測物の原点と判定している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、低可干渉性の光の干渉出力のピーク（振幅のピーク）と高可干渉性のレーザ光の干渉出力から原点（測定原点）を決定することが開示されている。また、特許文献２には、低可干渉性の光の干渉出力と高可干渉性のレーザ光の干渉出力の位相差と低可干渉性の光の干渉出力の強度情報から原点を検出することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３３１７号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、干渉計の内部に設けられた光学素子の特性は、波長に依存して変化する、すなわち光学素子は波長依存性を有する。このため、波長の異なる二つの光源を用いる場合、光学素子の波長依存性のため、双方の光源による干渉信号を最適な状態に保つことが困難となる。
【０００６】
例えば、干渉計に用いられるガラス材料は、屈折率に波長依存性がある。このため、ガラス材料を一方の光源に対して最適な配置とした場合、他方の光源に対しては最適点からずれが生じる。この結果、干渉信号の不均一が生じる。同様の問題は、波長板、グレーチングなど、干渉計を構成する種々の部品で生じる。このため、干渉計の特性に制約が加えられることになる。
【０００７】
また、干渉性の低い光源による干渉信号の強度が最大となる位置、又は、双方の光源による干渉信号の位相が一致する位置は、光源波長の変化に伴って変動し、原点位置が正確に定まらないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての絶対位置の計測装置は、第一の光線を射出する第一の光源と、前記第一の光線より干渉性の低い第二の光線を射出する第二の光源と、前記第一の光線に前記第二の光線を重ね合わせる第一のビームスプリッタと、前記第一のビームスプリッタからの射出光を計測光と参照光とに分岐する第二のビームスプリッタと、前記参照光及び前記計測光の反射光を合成して干渉信号を検出する干渉計測装置と、前記干渉計測装置から出力された信号を処理する信号処理装置とを有し、前記第一の光線及び前記第二の光線の波長は同一に設定されており、前記信号処理装置は、前記第二の光源から得られる干渉信号の強度を計測する信号強度計測部、及び、該第二の光源から得られる干渉信号の強度の最大点を原点と判定する原点判定部、を有する。
【０００９】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安価で高精度の絶対位置の計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
まず、本実施例における計測装置１００の全体構成について説明する。図１は、本実施例における計測装置１００の全体構成図である。
【００１３】
計測装置１００は絶対位置の計測装置であり、具体的には、第一の光源１及び第二の光源２からなる二つの光源を用いて、被計測物の原点計測が可能なレーザ干渉計である。計測装置１００においては、第一の光源１から射出される第一の光線と第二の光源２から射出される第二の光線の波長が同一に設定されている。
【００１４】
本実施例のように、第一の光線と第二の光線の波長が互いに等しい場合、計測装置内の各光学素子の特性は、双方の光源からの光に対して同等となる。このため、本実施例の計測装置１００では、双方の光源から射出される光に対して、最適な部品配置が可能となる。
【００１５】
第一の光源１はレーザダイオード（ＬＤ）であり、干渉性の高い第一の光線を射出する。第二の光源２は発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、干渉性の低い第二の光線を射出する。すなわち、第二の光源２から射出される第二の光線は、第一の光源１から射出される第一の光線より干渉性が低い。具体的には、第二の光線の可干渉距離は、第一の光線の可干渉距離の１／１０以下、より好ましくは、１／１００以下になるように設定される。
【００１６】
本実施例において、後述のように、第一の光源１は常時点灯し、第二の光源２は間歇的に点滅を繰り返す。
【００１７】
第一の光源１及び第二の光源２から射出される光線は、反射率５０％のノンポラライズドビームスプリッタ３（第一のビームスプリッタ）で合成される。すなわち、ノンポラライズドビームスプリッタ３は、第一の光源１からの光線の透過光と第二の光源２からの光線の反射光とを合成する。このように、ノンポラライズドビームスプリッタ３は、第一の光線に第二の光線を重ね合わせる。ノンポラライズドビームスプリッタ３で合成された光線は、ポラライズドビームスプリッタ４へ導かれる。
【００１８】
第一の光源１及び第二の光源２は、ポラライズドビームスプリッタ４に入射した双方の光線が４５°の偏向角となるように配置されている。また、ノンポラライズドビームスプリッタ３は、図１中の右方向（ポラライズドビームスプリッタ４の方向）に射出される光線以外に、図１中の下方向へも同様の光線（上下方向の光軸）が射出される。下方向へ射出される光線は、適当な吸収体で処理することができる。また、これに代えて、他のもう一つの干渉計の光源として利用することも可能である。
【００１９】
ポラライズドビームスプリッタ４（第二のビームスプリッタ）は、入射した光線の半分を透過させ、他の半分を反射する。ポラライズドビームスプリッタ４を透過した光線（計測光）は、１／４波長板５−１を通過することにより円偏光となり、可動のターゲットミラー６で反射する。同様に、ポラライズドビームスプリッタ４において反射した光線（参照光）は、１／４波長板５−２を通過することにより円偏光となり、固定のリファレンスミラー７で反射する。このように、ポラライズドビームスプリッタ４は、ノンポラライズドビームスプリッタ３からの射出光を計測光と参照光とに分岐する。
【００２０】
ターゲットミラー６で反射した円偏光は、再度、１／４波長板５−１を通過して直線偏光に戻る。同様に、リファレンスミラー７で反射した円偏光は、再度、１／４波長板５−２を通過して直線偏光に戻る。このとき、ターゲットミラー６及びリファレンスミラー７で反射した反射光の円偏光の方向は反転している。このため、偏向角は、元の方向から９０°回転している。従って、ポラライズドビームスプリッタ４における反射と透過の関係は以前の逆となり、全ての光線は、干渉計測装置８に導かれる。
【００２１】
干渉計測装置８は、ターゲットミラー６からの反射光とリファレンスミラー７からの反射光との位相差に対応するコサイン信号Ｃとサイン信号Ｓとを出力する。これらのコサイン信号Ｃ及びサイン信号Ｓは、本実施例の計測装置１００に設けられている信号処理装置２０に導かれる。
【００２２】
本実施例の計測装置１００において、干渉計内部のターゲットミラー６を反射する光路とリファレンスミラー７を反射する光路に含まれる硝材厚さの差が大きい場合、硝材屈折率の非線形性により、光の波長が変動すると原点が移動する。この大きさは、例えば、硝材厚さの差１００μｍに対して波長変動１ｎｍあたり約１０ｎｍ、２０ｎｍの波長差に対しては約２００ｎｍとなる。
【００２３】
このような大きさの原点移動が許容できない場合、双方の光の波長差をより小さくする必要がある。このためには、波長のそろった光源を入手すること、入手した光源を選別して波長の近接した光源を組み合わせて使用することなどの方法が採り得る。
【００２４】
ただし、波長に対する仕様範囲を狭めると、光源の製造側での良品率が低下し、コストアップとなる。また、入手した光源を選別して組み合わせる際にも、波長の差に対する要求を厳しくすると適当な組み合わせを得ることが難しくなる。このため、光の波長差として、例えば５ｎｍを大きく下回る仕様を要求することは現実的ではない。
【００２５】
このように、本実施例では、第一の光源１から射出される第一の光線、及び、第二の光源２から射出される第二の光線の波長は、それぞれ、一般的に１０ｎｍ前後の誤差を有する。このため、第一の光線及び第二の光線の波長が同一となるように設計した場合でも、双方の光の波長には最大２０ｎｍ程度の誤差が生じる。
【００２６】
従って、本実施例において、第一の光線及び第二の光線の波長が同一に設定されているとは、双方の光の波長が厳密に同一であるということだけでなく、双方の光の波長の誤差が２０ｎｍ以下の場合を含む実質的同一として定義される。ただし、本実施例において、第一の光線及び第二の光線の波長の誤差は、好ましくは１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下である。
【００２７】
本実施例のように、同一波長の第一の光線及び第二の光線を用いて原点を検出する場合、双方の光源から得られる干渉信号の位相差が一致する点を原点とするような、従来一般的に行われていた手法は採用することができない。しかし、二つの光源の一方に、干渉性の低い光源を用い、この光源の干渉信号の強度が最大となる点を検出することで原点を検出することができる。
【００２８】
また、同一波長に設定された二つの光源を用いる場合、これら二つの光源の干渉信号を、例えばダイクロミックミラーなどの光学的手段で分離することはできず、双方の干渉信号は電子的に分離する必要がある。
【００２９】
このため、本実施例では、第一の光源１より干渉性の低い第二の光源２を点滅させる。第二の光源２の消灯中に、干渉性の高い第一の光源１から得られた干渉信号を用いて計測された位相を時間に対して回帰する。この回帰定数（回帰係数）を用いて、双方の光源が点灯中において、第一の光源１による干渉信号を推定し、これを双方の光源の干渉信号が重畳した信号から差し引くことで、第二の光源２の干渉信号を計測する。このような制御は、計測装置１００の信号処理装置２０にて実行される。
【００３０】
次に、本実施例の信号処理装置２０について説明する。信号処理装置２０は、干渉計測装置８から出力された信号を処理する。図２は、本実施例における信号処理装置２０のブロック図である。
【００３１】
信号処理装置２０の内部では、まず、干渉計測装置８から入力されたコサイン信号Ｃ及びサイン信号Ｓの双方のアナログ信号を、それぞれ、アナログ／デジタル変換器９−１、９−２を用いてデジタル信号に変換する。アナログ／デジタル変換器９−１、９−２から出力されるそれぞれのデジタル信号は、第一の光源１による干渉信号と第二の光源２による干渉信号が重畳した値（重畳信号）を示す。
【００３２】
そこで、第二の光源２による干渉信号が重畳されている際には、内部で更新されている第一の光源２による干渉信号の位相に基づき、予想器１０−１、１０−２を用いて現在の第一の光源１による干渉信号を予想する。そして、減算器３１−１、３１−２を用いて、アナログ／デジタル変換器９−１、９−２からの出力値（重畳信号）から予想器１０−１、１０−２で予想した干渉信号を差し引く。
【００３３】
具体的には、マルチプレクサ３６−１、３６−２は、第二の光源２による干渉信号が重畳されている場合、予想器１０−１、１０−２の信号を選択して減算器３１−１、３１−２に出力する。一方、マルチプレクサ３６−１、３６−２は、第一の光源１による干渉信号のみが入力されている場合、ゼロ信号を選択して減算器３１−１、３１−２に出力する。
【００３４】
第一の光源１及び第二の光源２による干渉信号の重畳信号の値は、予想器１０−１、１０−２にて算出された第一の光源１による干渉信号の予想値を用いて、減算器３１−１，３１−２にて減算される。
【００３５】
なお、図２において、参照符号「＊」は、第二の光源１による干渉信号が重畳されているか否かを示す選択信号を表している。この選択信号に基づいて、各部の動作は制御される。
【００３６】
このような演算処理により、第二の光源２による干渉信号が重畳されている期間において、信号処理装置２０は第二の光源２による干渉信号を得ることができる。また、第一の光源１による干渉信号のみが入力されている期間には、信号処理装置２０は第一の光源１による干渉信号を得ることができる。
【００３７】
これらの干渉信号は、位相演算器１１に入力される。位相演算器１１は、第一の光源１による干渉信号及び第二の光源２による干渉信号に基づいて、干渉信号の位相を求める。位相演算器１１は、例えばアークタンジェントによる演算を行うことにより位相を求めるが、これに限定されるものではなく、他の方法で位相を求めるものであってもよい。
【００３８】
第一の光源１による干渉信号のみが入力されている場合、内部レジスタ１２に保持されている第一の光源１による干渉信号の位相を更新する。具体的には、減算器３２により、位相演算器１１の出力値から内部レジスタ１２の保持値が減算される。減算した値は、内部レジスタ１２の保持値に加算される。内部レジスタ１２は、位相を記憶するために必要な領域（ビット長）よりも多いビット長を有する。本実施例では、内部レジスタ１２における上位ビットは、第一の光源１による干渉信号の波数を示すように設定されている。
【００３９】
回帰演算器１３は、位相演算器１１で算出された第一の光源１による干渉信号の位相に基づいて、この位相の計測時刻に対する回帰係数を算出する。回帰係数は、計測値である第一の光源１による干渉信号の位相に、計測時刻からの経過時間に応じた指数関数的重み係数を乗じて算出される。回帰演算器１３は、例えばカルマンフィルタにより構成されるが、これに限定されるものではない。
【００４０】
回帰演算器１３にて算出された回帰係数は、予想器１０−１、１０−２に入力される。このように、予想器１０−１、１０−２は、第二の光源２による干渉信号が入力されているとき、第一の光源１による干渉信号の現在の予想値を算出する。
【００４１】
第二の光源２による干渉信号が入力されている場合、回帰演算器１３から出力される変化速度（回帰係数）が、マルチプレクサ３７を介して、加算器３４により内部レジスタ１２の内容に加算される。このようにして、第一の光源１による干渉信号の位相及び波数情報が更新される。
【００４２】
第一の光源１による干渉信号のみが入力されている場合、位相演算器１１の出力信号から内部レジスタ１２の内容を差し引いた値を内部レジスタ１２のビット長に符号拡張した値を内部レジスタ１２の内容に加算する。このようにして、第一の光源１による干渉信号の位相及び波数に関わる情報が更新される。
【００４３】
第二の光源２による干渉信号は、二乗器１４−１、１４−２を用いて二乗される。二乗器１４−１、１４−２で二乗された値が加算器３３で加算されることにより、第二の光源２による干渉信号の強度に変換される。すなわち、二乗器１４−１、１４−２は、第二の光源２から得られる干渉信号の強度を計測する信号強度計測部として機能する。
【００４４】
第二の光源２による干渉信号の強度は、ピーク検出器１５に入力される。ピーク検出器１５は、第二の光源２による干渉信号の強度が最大となる点（ピーク位置）を検出する。ピーク検出器１５は、その時点における内部レジスタ１２の上位、すなわち第一の光源１による干渉信号の波数を示す部分を、バイアスレジスタ１６に転送する。バイアスレジスタ１６は、第二の光源２から得られる干渉信号の強度の最大点を原点と判定する原点判定部として機能する。
【００４５】
ピーク検出器１５が第二の光源２による干渉信号のピーク位置を検出すると、バイアスレジスタ１６に記憶された値は、減算器３５により、内部レジスタ１２の値から差し引かれる。このようにして、第二の光源２による干渉信号のピーク位置を原点とする絶対位置信号を得ることができる。
【００４６】
以上のとおり、本実施例における絶対位置の計測装置は、簡素なハードウエア構成で正確に被計測物の原点を計測することができる。このため、本実施例によれば、安価に高精度な絶対位置の計測装置を提供することが可能になる。
【００４７】
また、本実施例における信号処理装置（論理演算部分）は、ＬＳＩ化も容易であるが、速度を必要としない論理演算部分は、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）又はＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）を用いてソフトウエアにより実現することが可能である。本実施例の信号処理装置をソフトウエアで実現すれば、更に安価に計測装置を構成することができる。
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施例における計測装置の全体構成図である。
【図２】本実施例における計測装置の信号処理装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：第一の光源
２：第二の光源
３：ノンポラライズドビームスプリッタ
４：ポラライズドビームスプリッタ
５−１、５−２：１／４波長板
６：ターゲットミラー
７：リファレンスミラー
８：干渉計測装置
９−１、９−２：アナログ／デジタル変換器
１０−１、１０−２：予想器
１１：位相演算器
１２：内部レジスタ
１３：回帰演算器
１４−１、１４−２：二乗器
１５：ピーク検出手段
１６：バイアスレジスタ
２０：信号処理装置
３１−１、３１−２、３２、３５：減算器
３３、３４：加算器
３６−１、３６−２、３７：マルチプレクサ
１００：計測装置
【図１】
2010038674.tif 000003
【図２】
2010038674.tif 000004