(57)【要約】 【課題】  波面収差に起因する測定誤差の生じない変位計を提供する。【解決手段】  低コヒーレンス光を出射するレーザ光源１０からのレーザ光を平行光としてビームスプリッタ１５で参照用レーザ光Ｌ２と測定用レーザ光Ｌ１とに分割し、このうち、参照用レーザ光Ｌ２を反射器１６の第一反射面１７及び第二反射面１８にそれぞれ反射させることにより、反射器１６で反射した後にビームスプリッタ１５に向かう参照用レーザ光Ｌ２の光軸Ａ２の位置を、ビームスプリッタ１５にて分割され参照体へ向かう参照用レーザ光Ｌ２の光軸Ａ１よりも平行にずらした位置として参照用レーザ光Ｌ２と測定用レーザ光Ｌ１をビームスプリッタ１５で干渉させ、この干渉光Ｌ３の干渉縞２２の位置に基づいて被測定体１４の変位を測定する。【選択図】  図１
2006071344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレンス光を投光する投光手段と、
前記投光手段からの低コヒーレンス光を分割する光分割手段と、
前記光分割手段で分割された一方の低コヒーレンス光である参照用低コヒーレンス光が照射されるように配される参照体と、
前記光分割手段で分割された他方の低コヒーレンス光である測定用低コヒーレンス光が照射されるように配される被測定体と、
前記投光手段からの低コヒーレンス光を透過させて前記被測定体に収束させる収束レンズと、
前記参照体及び前記被測定体で反射した前記参照用低コヒーレンス光及び前記測定用低コヒーレンス光が、前記光分割手段を介して互いに干渉した干渉光として受光面に受光される受光手段と、
前記受光手段で受光された干渉光の干渉縞の位置に基づいて前記被測定体の変位を測定する測定手段とを備える変位計であって、
前記光分割手段は、前記収束レンズを透過した低コヒーレンス光の収束に向かう光路上に配されることを特徴とする変位計。
【請求項２】
前記参照体は、前記光分割手段にて分割された参照用低コヒーレンス光の光軸をずらして反射させる反射面を備えてなることを特徴とする請求項１記載の変位計。
【請求項３】
前記参照体の反射面は、第一反射面及び第二反射面で構成され、これら第一反射面及び第二反射面に前記参照用低コヒーレンス光をそれぞれ反射させることにより、前記参照体で反射した後に前記光分割手段に向かう参照用低コヒーレンス光の光軸の位置を、前記光分割手段にて分割され前記参照体へ向かう参照用低コヒーレンス光の光軸よりも側方にずらした位置とすることを特徴とする請求項２記載の変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定体の変位を検出する変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、異なる光路を通ったレーザ光を干渉させて、それらのレーザ光の受光面における干渉縞の位置等に基づいて被測定体の変位を測定する変位計が知られている。
【０００３】
この種のものは、例えば、図５に示すように、投光手段１から出射した光を平行光とした後、ビームスプリッタ２で分割し、この分割した光のうちビームスプリッタ２を透過した光が収束レンズ３で収束された後に、測定用レーザ光として被測定体４に照射されるとともに、分割した光のうちビームスプリッタ２で直交する方に反射した光が、参照用レーザ光として水平よりもやや傾斜させた参照体５に照射されるようになっている。そして、これら被測定体４及び参照体５から反射した光が、再びビームスプリッタ２に入射して互いに同じ受光手段６の受光面に向けて照射されることにより、互いの光が干渉しあって受光面に干渉縞が生じるから、この干渉縞に基づいて被測定体の変位を測定できるようになっている。
【特許文献１】特開平７−５５４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、レーザ光が収束レンズを透過する際には、収束レンズの性質上波面収差が生じることが知られている。ここで、上記構成では、測定用レーザ光が収束レンズ３を透過する構成であるために、測定用レーザ光が収束レンズ３を透過した際に波面収差が生じ、これにより測定用レーザ光の光路長に誤差が生じる。一方、参照用レーザ光は、収束レンズを透過しないために波面収差が生じず光路長の誤差も生じない。このように、測定用レーザ光のみに誤差が生じた状態で、被測定体の変位を測定しようとすると、干渉縞の位置にずれが生じたり、可視度が悪くなってしまうために正確な変位を検出できない。
【０００５】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、波面収差に起因する測定誤差の生じない変位計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】
【０００６】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、低コヒーレンス光を投光する投光手段と、
前記投光手段からの低コヒーレンス光を分割する光分割手段と、
前記光分割手段で分割された一方の低コヒーレンス光である参照用低コヒーレンス光が照射されるように配される参照体と、
前記光分割手段で分割された他方の低コヒーレンス光である測定用低コヒーレンス光が照射されるように配される被測定体と、
前記投光手段からの低コヒーレンス光を透過させて前記被測定体に収束させる収束レンズと、
前記参照体及び前記被測定体で反射した前記参照用低コヒーレンス光及び前記測定用低コヒーレンス光が、前記光分割手段を介して互いに干渉した干渉光として受光面に受光される受光手段と、
前記受光手段で受光された干渉光の干渉縞の位置に基づいて前記被測定体の変位を測定する測定手段とを備える変位計であって、
前記光分割手段は、前記収束レンズを透過した低コヒーレンス光の収束に向かう光路上に配される構成としたところに特徴を有する。
なお、光路とは、低コヒーレンス光の通る経路のことをいう。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記参照体は、前記光分割手段にて分割された参照用低コヒーレンス光の光軸をずらして反射させる反射面を備えてなるところに特徴を有する。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２に記載のものにおいて、前記参照体の反射面は、第一反射面及び第二反射面で構成され、これら第一反射面及び第二反射面に前記参照用低コヒーレンス光をそれぞれ反射させることにより、前記参照体で反射した後に前記光分割手段に向かう参照用低コヒーレンス光の光軸の位置を、前記光分割手段にて分割され前記参照体へ向かう参照用低コヒーレンス光の光軸よりも側方にずらした位置とするところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００９】
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、収束レンズを透過した光が、光分割手段により参照用低コヒーレンス光及び測定用低コヒーレンス光に分割されて参照体及び被測定体に照射されるとともに、参照体及び被測定体で反射した参照用低コヒーレンス光及び測定用低コヒーレンス光が光分割手段を介して干渉光として受光される。したがって、波面収差の影響が一方の低コヒーレンス光のみに生じず、正確に干渉光の干渉縞が生じるから、被測定体の変位を正確に測定することができる。
【００１０】
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、反射面で反射した際に、参照用低コヒーレンス光の光軸がずらされる。したがって、参照用低コヒーレンス光の光路長を変えることができるから、干渉縞の位置により被測定体の変位を測定することができる。また、光路長を変えるために参照体を可動させる必要がなく、そのための駆動機構が必要でないから変位計の単純化や小型化が可能となる。
【００１１】
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、参照体で反射した後に光分割手段に向かう参照用低コヒーレンス光の光軸の位置を、光分割手段にて分割され参照体へ向かう参照用低コヒーレンス光の光軸よりも側方にずらした位置とするから、測定用低コヒーレンス光と参照用低コヒーレンス光との干渉の生じる範囲を広くすることができ、より精度の高い被測定体の変位の測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を図１ないし図４によって説明する。
本実施形態の変位計は、異なる光路を通ったレーザ光を干渉させて、それらのレーザ光の受光面（撮像面２０Ａ）における干渉縞２２の包絡線の頂点あるいは干渉縞の最大値を示す位置に基づいて被測定体１４の変位を測定するものである。
【００１３】
１.変位計の構成
図１に示すように、符号１０はレーザ光源であり、低コヒーレンス光を出射するようになっており、このレーザ光源１０から出射されたレーザ光（本発明の「低コヒーレンス光」に相当）はコリメータレンズ１１で平行光とされてハーフミラー１２を介して対物レンズ１３（本発明の「収束レンズ」に相当）に入射する。
【００１４】
対物レンズ１３は、一面が球面の平凸レンズが用いられ、この対物レンズ１３の中心軸と直交するように配置された被測定体１４のほぼ表面位置が焦点となるように構成されており、対物レンズ１３を透過した光は被測定体１４に向かって徐々に収束されつつ、その収束に向かう光路上に配されたビームスプリッタ１５に入射する。
【００１５】
ビームスプリッタ１５に入射した光は、図２に示すように、ビームスプリッタ１５を透過して被測定体表面１４Ａに収束される測定用レーザ光Ｌ１（本発明の「測定用低コヒーレンス光」に相当）と、レーザ光の入射方向とほぼ直交する方向に設けられた反射器１６（本発明の「参照体」に相当）に向けて反射する参照用レーザ光Ｌ２（本発明の「参照用低コヒーレンス光」に相当）とに分割させられる。
【００１６】
反射器１６は、その表面（図２の上面）が、２枚の鏡面（本発明の「第１の反射面及び第２の反射面」）が９０度の角度で交差（交線を形成）することによりＶ字状に窪み形成されている。なお、本実施形態では、図２の反射器１６の右側の鏡面（左下がりの面）を第１の反射面１７とし、反射器１６の左側の鏡面（右下がりの面）を第２の反射面１８として説明する。
【００１７】
これにより、ビームスプリッタ１５で反射した参照用レーザ光Ｌ２は、第１の反射面１７で反射することにより、２枚の鏡面１７,１８のほぼ中線Ｃ上で一旦収束した後、第２の反射面１８でビームスプリッタ１５に向けて反射する（なお、第２の反射面１８では、図２の点Ｂを焦点とするように反射する）。そして、ビームスプリッタ１５で反射した参照用レーザ光Ｌ２は対物レンズ１３を透過してハーフミラー１２に照射される。
【００１８】
したがって、２枚の鏡面１７,１８による反射で参照用レーザ光Ｌ２の光軸が反射器１６への入射時の光軸Ａ１から焦点ＡＢ間の距離分だけ側方（横）にずらされた光軸Ａ２とされることになり、このように光軸がずらされたままビームスプリッタ１５で反射することにより、出射時のレーザ光よりも側方に光軸のずらされた参照用レーザ光Ｌ２が対物レンズ１３に入射する（なお、第２の反射面１８からの参照用レーザ光Ｌ２がビームスプリッタ１５で対物レンズ１３に向けて反射した後の光路は、図２の焦点Ａ’点からずらした位置（ＡＢ間の距離だけずらした位置）にあるＢ’点を焦点として発散する光と同等の光路をたどることになる）。
【００１９】
一方、ビームスプリッタ１５を透過した測定用レーザ光Ｌ１は、被測定体表面１４Ａにてほぼ収束されるとともに、被測定体表面１４Ａで反射してビームスプリッタ１５を透過した後に対物レンズ１３に入射するようになっている。したがって、被測定体１４の光軸方向の位置（図２の矢印ａ,ｂ方向）の変位に応じて測定用レーザ光Ｌ１の光路長が変化するようになっている。
【００２０】
このようにして対物レンズ１３に入射した測定用レーザ光Ｌ１及び参照用レーザ光Ｌ２のうち、測定用レーザ光Ｌ１は対物レンズ１３の中心軸と同じ位置を中心とする光軸の光である一方で、参照用レーザ光Ｌ２は対物レンズ１３の中心軸とＡＢ（Ａ’Ｂ’）間の距離だけずらされた光軸の光である。したがって、測定用レーザ光Ｌ１が対物レンズ１３を透過した際には、対物レンズ１３の中心軸と同じ位置を中心の光軸とする平行光とされる一方、参照用レーザ光Ｌ２が対物レンズ１３を透過した際には、透過光の進行方向が対物レンズ１３の中心軸よりも傾斜した平行光とされる。即ち、平行光とされた測定用レーザ光Ｌ１の光波の波面Ｗ１（図２の実線の波面）と、同じく平行光とされた参照用レーザ光Ｌ２の光波の波面Ｗ２（図２の一点鎖線の波面）とは、わずかな角度が生じる。
【００２１】
そして、測定用レーザ光Ｌ１と参照用レーザ光Ｌ２とが重なってできる干渉光Ｌ３がハーフミラー１２で反射したのちスリット１９を透過したレーザ光がラインＣＣＤ素子からなる受光手段２０の撮像面２０Ａ（受光面）に受光されるようになっている。
【００２２】
ここで、上記したように、参照用レーザ光Ｌ２の光波の波面Ｗ２は、測定用レーザ光Ｌ１の光波の波面Ｗ１よりもわずかに傾斜しているため、干渉光Ｌ３が撮像面２０Ａに照射されると、撮像面２０Ａ上に干渉縞２２（図３参照）が生じる。
【００２３】
そして受光手段２０は、この干渉縞２２の位置に基づく位置信号を制御部２１（ＣＰＵ）に送信する。ここで、干渉光により干渉縞２２の生じる位置は、被測定体１４の位置（図２の矢印ａｂ方向の位置）により定まる測定用レーザ光Ｌ１の光路長と、参照用レーザ光Ｌ２の光路長とが合致する位置で位置信号が最大になるから、制御部２１は、受光手段２０から出力された干渉縞２２の干渉信号の強度が最大となる位置の位置信号に、換算テーブルや換算式等を当てはめて被測定体１４の変位（距離）を測定する。したがって、制御部２１が本発明の「測定手段」に相当する。
【００２４】
なお、低コヒーレンス光を用いることとしたのは、干渉性の悪い光である低コヒーレンス光は横軸に時間、縦軸に電場の強さを取ると、図４に示すように、信号に周期はなくランダムな信号となっている。したがって、同図における大きな山の一つ一つである波連はそれぞれが相互に独立な位相と振幅を持っているため、同じ波連同士が重なった場合は干渉して強め合うものの、異なる波連同士が重なって干渉した場合、位相が相互に独立であるため平均するとほとんどが打ち消しあって干渉縞が消滅する。つまり二つの同じ低コヒーレンス光を干渉させた場合、わずかな時間遅れ(同じ波連同士が重ならないぐらいのずれ)が生じただけで干渉が観測されなくなるという特性を有する。 
【００２５】
ここで、本実施形態では、被測定体１４から戻ってくる測定用レーザ光Ｌ１は、被測定体表面１４Ａで反射した光や、被測定体１４内部の浅い位置で反射した光、被測定体１４内部の深部で反射した光などさまざまな位置からの反射光が含まれる。しかし、入射レーザ光が低コヒーレンス光であるため、ビームスプリッタ１５から反射器１６（参照体）に至る光路長を変えれば、その光路長に対応した被測定体１４からの反射光のみを選択的に検出することができ、これにより被測定体１４の絶対距離の測定を可能とすることができる。
【００２６】
２.本実施形態の効果
本実施形態によれば、対物レンズ１３（収束レンズ）を透過した光が、ビームスプリッタ１５により参照用レーザ光Ｌ２及び測定用レーザ光Ｌ１に分割されて反射器１６（参照体）及び被測定体１４に照射されるとともに、反射器１６及び被測定体１４で反射した参照用レーザ光Ｌ２及び測定用レーザ光Ｌ１がビームスプリッタ１５を介して干渉光Ｌ３として受光手段２０に受光される。したがって、波面収差の影響が一方のレーザ光のみに生じず、正確に干渉光Ｌ３の干渉縞２２が生じるから、被測定体１４の変位を正確な位置に測定することができる。
【００２７】
また、２枚の反射面１７,１８で反射した際に、参照用レーザ光Ｌ２の光軸がずらされる。したがって、参照用レーザ光Ｌ２の光路長を変えることができる（参照用レーザ光Ｌ２の光路長を撮像面２０Ａの一方の端から他方の端まで変えることができる）から、干渉縞２２の位置により被測定体１４の変位を測定することができる。また、光路長を変えるために反射器（参照体）を可動させる必要がなく、そのための駆動機構が必要でないから変位計の小型化が可能となる。
【００２８】
さらに、反射器１６で反射した後にビームスプリッタ１５に向かう参照用レーザ光Ｌ２の光軸Ａ２の位置を、ビームスプリッタ１５にて分割され反射器１６へ向かう参照用レーザ光Ｌ２の光軸Ａ１よりも側方にずらした位置とするから、対物レンズ１３を透過した後の参照用レーザ光Ｌ２の光波の波面Ｗ２を測定用レーザ光Ｌ１の光波の波面Ｗ１よりもやや傾斜した波面とすることができることにより、測定用レーザ光Ｌ１と参照用レーザ光Ｌ２との干渉の生じる範囲を広くすることができ、より精度の高い被測定体１４の変位の測定が可能となる。
【００２９】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００３０】
（１）上記実施形態では、反射器１６の第１の反射面１７と第２の反射面１８との角度は９０度としたが、これに限らず、９０度よりも大きい角度で構成されていてもよく、また、９０度よりも小さい角度で構成されていてもよい。
【００３１】
（２）上記実施形態では、参照用レーザ光Ｌ２は、第１の反射面１７に入射した後に第２の反射面１８に入射する構成としたが、これとは逆に、第２の反射面１８に入射した後に第１の反射面１７に入射する構成であってもよい。
【００３２】
（３）反射器１６をプリズム（図示しない）によって構成してもよい。例えば、プリズム外面を透過させたのち、プリズム内の交差する２面に反射させることにより参照用レーザ光Ｌ２の光軸をずらすようにしてもよい。また、例えば、円錐状のプリズムを用いて、下面（平面）を透過させた参照用レーザ光Ｌ２を、一面からなる内曲面に２度反射させることにより、参照用レーザ光Ｌ２の光軸をずらすようにしてもよい。
【００３３】
（４）上記実施形態では、反射器１６により反射する光の光軸をずらす構成としたが、これに限られない。例えば、反射器（図示しない）を上面一面のみの鏡面とし、参照用レーザ光Ｌ２をこの反射器に垂直に入射させて、入射した参照用レーザ光Ｌ２の光軸と同じ光軸で反射させるようにするとともに、この反射器を音叉等により振動させて反射器の位置（参照用レーザ光Ｌ２の照射される方向の前後の位置）を変えることにより、参照用レーザ光Ｌ２の光路長が変えられる。これにより、受光される干渉光Ｌ３の撮像面２０Ａ上での干渉縞２２の位置と、当該反射器の位置とに基づいて、被測定体１４の変位を測定する構成としてもよい。
【００３４】
（５）対物レンズ１３は屈折面を球面で構成した平凸レンズを用いたが、屈折面を非球面で構成した非球面レンズを用いてもよい。また、屈折面は１つには限らず２つ以上の屈折面を有するものであってもよい。
【００３５】
（６）上記実施形態では、ＣＣＤ素子からなる受光手段２０が干渉光Ｌ３を受光する構成とされているが、これに限らず、例えば、干渉縞２２をスキャニングすることにより被測定体１４の変位を測定するように構成してもよい。
【００３６】
（７）上記実施形態では、本発明の「光分割手段」をビームスプリッタ１５により構成したが、これに限らず、例えばハーフミラー等であってもよい。
【００３７】
（８）上記実施形態では、低コヒーレンス光としてレーザ光を用いたが、レーザ光以外の低コヒーレンス光であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態の変位計の概略的構成を示す図
【図２】参照用レーザ光の光軸をずらして反射する構成を示す図
【図３】（Ａ）干渉光の干渉縞の光強度を示す図  （Ｂ）干渉光の干渉縞を示す図
【図４】低コヒーレンス光の電場の強さの時間的変化を示す図
【図５】従来の変位計の図
【符号の説明】
【００３９】
１０…レーザ光源
１１…コリメータレンズ
１２…ハーフミラー
１３…対物レンズ
１４…被測定体
１４Ａ…被測定体表面
１５…ビームスプリッタ（光分割手段）
１６…反射器（参照体）
１７,１８…反射面（第１の反射面,第２の反射面）
２０…受光手段
２０Ａ…撮像面
２２…干渉縞
Ａ１,Ａ２…光軸
Ｌ１…測定用レーザ光
Ｌ２…参照用レーザ光
Ｌ３…干渉光
【図１】
2006071344.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006071344.tif 000006
【図５】
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