(57)【要約】【課題】レーザ光の干渉信号に基づいて微小変位を測定する場合でも、検出信号系の調整を容易且つ高精度に実現する。【解決手段】入射されるレーザ光線を分割し、一方を光路長が変化しない参照光Ｌ2とし、他方を被測定体５の表面で反射させることにより該表面までの距離に応じて光路長が変化する測定光Ｌ1とすると共に、該測定光Ｌ1と前記参照光Ｌ2との干渉光から取得される正弦波信号に基づいて、前記被測定体表面の変位を測定するレーザ干渉式変位測定装置において、前記測定光Ｌ1の光路長を強制的に変化させる光路長変更手段として、該測定光を基準位置で被測定体方向に反射させる反射鏡４６を、同方向に進退動させるＰＺＴ（圧電素子）４９を設置した。【選択図】図２
2006003290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射されるレーザ光線を分割し、一方を光路長が変化しない参照光とし、他方を被測定体の表面で反射させることにより該表面までの距離に応じて光路長が変化する測定光とすると共に、
該測定光と前記参照光との干渉光から取得される正弦波信号に基づいて、前記被測定体表面の変位を測定するレーザ干渉式変位測定装置において、
前記測定光の光路長を強制的に変化させる光路長変更手段を備えたことを特徴とするレーザ干渉式変位測定装置。
【請求項２】
前記光路長変更手段が、前記測定光を基準位置で被測定体方向に反射させる反射鏡を、同方向に進退動させる駆動手段であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ干渉式変位測定装置。
【請求項３】
前記駆動手段が、前記反射鏡に固定された圧電素子であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ干渉式変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ干渉式変位測定装置に係り、特にレーザ干渉を利用して被測定体表面の波長以下の微小な変位を非接触で検出するレーザ干渉式平面度測定装置、あるいは略平行な関係にある２つの被測定体表面間の微小な平行度を非接触で計測するレーザ干渉式ギャップ測定装置等に適用して好適な、レーザ干渉式変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、入射されるレーザ光線を分割し、一方を光路長が変化しない参照光とし、他方を被測定体の表面で反射させることにより該表面までの距離に応じて光路長が変化する測定光とすると共に、該測定光と前記参照光を合波した際の干渉光を光電変換して取得される正弦波信号に基づいて、前記被測定体表面までの変位（距離）を測定するレーザ干渉式変位測定装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような変位測定装置では、被測定体を測定光の光路方向に走査する場合、十分な大きさの変位が得られることから、走査測定時には、干渉信号として図３（Ａ）に示すような９０°位相差の正弦波信号Ｖ1、Ｖ2が出力される。即ち、変位が十分大きい場合には、干渉信号は周期的に変化するため、出力信号としては１周期以上のｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分が得られることになる。
【０００４】
ところで、対象とする被測定体の反射率がその都度異なる場合には、測定の度毎に検出系の調整が必要であるが、この図（Ａ）に示されるように、数波長分の正弦波信号が出力される場合には、この信号から振幅：Ａ、ＤＣオフセット：Ｄ、及び位相差を知ることができるので、信号の補正は容易であり、従って検出系の調整も容易である。
【０００５】
ところが、同様の機能を有する変位測定装置を、被測定体の表面に沿って走査して平面度（平坦度）を測定する場合のように（例えば、後述する図１を参照）、測定対象の変位に微小な変化しか期待できない場合には、十分な変位を測定するリニアスケール等の場合の検出信号のように、９０°位相差の正弦波信号が短い周期で繰り返し検出されることはないので、前のデータ（例えば１サイクル前の信号）を利用して検出信号の歪みを補正することは難しいため、その調整作業は煩雑である。
【０００６】
即ち、前記図３（Ａ）と同一の調整条件下で、被測定体表面を走査測定した際に出力される信号を同図（Ｂ）に示すように、干渉信号の変化は検出できるものの、途中で変位が戻ってしまう等の理由により、変位が大きければ同図（Ａ）のような信号が得られるところ、あたかも波形歪みが生じたり、あるいはＤＣオフセットが生じたような波形となっている。しかも、この信号は干渉信号を周期的に検出しているように見えるが、変位が途中で戻ってしまうための現象であり、周期的な干渉縞を検出している訳ではない。
【０００７】
従って、この信号を頼りに調整を行なってしまうと、誤った調整をしてしまうことになり、正しい測定ができないことになる。信号調整のためには干渉縞の周期を正確に検出するだけの変位を与える必要があるが、被測定体の平面度、設置状態が良いほど、干渉縞の周期的検出が難しくなるので調整作業は難航することになる。
【０００８】
以上のように、レーザ干渉を利用する変位測定装置により、被測定体表面の平面度等を走査測定する場合には、前のデータを利用して検出信号の歪みを補正して、正確な内挿分割信号を得ることは不可能であった。
【０００９】
そのため、従来は、検出系の調整を、例えば測定装置の設定時に調整に必要な信号を得るために被測定体を叩く等により、測定距離（変位）を強制的に変化させて繰返し性のある信号を発生させ、この信号の発生を繰り返すことにより、検出信号系の調整を試行錯誤で行なっていた。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２０２２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記のように静止状態にある被測定体を叩く等により強制的に測定距離を変化させて繰返し性のある信号を取得することは、ほとんど静止状態に近い変位の変化しか期待できない測定装置の調整のためには止むを得ない作業ではあるとしても、このようにして行なう測定装置の調整作業は、時間がかかる上に正確性に欠けるという問題があった。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、レーザ光の干渉信号に基づいて平面度等の微小変位を測定する場合でも、測定装置の調整を容易且つ高精度に実現することができるレーザ干渉式変位測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、入射されるレーザ光線を分割し、一方を光路長が変化しない参照光とし、他方を被測定体の表面で反射させることにより該表面までの距離に応じて光路長が変化する測定光とすると共に、該測定光と前記参照光との干渉光から取得される正弦波信号に基づいて、前記被測定体表面の変位を測定するレーザ干渉式変位測定装置において、前記測定光の光路長を強制的に変化させる光路長変更手段を備えたことにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
本発明は、又、前記光路長変更手段が、前記測定光を、基準位置で被測定体方向に反射させる反射鏡を、同方向に進退動させる駆動手段であるようにしたものであり、又、この駆動手段が、前記反射鏡に固定された圧電素子であるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被測定体が静止した状態で、前記光路長変更手段により、センサによる検出信号を調整あるいは補正するのに必要な正弦波信号を発生することが可能となるので、平面度の変化がほとんど無い状態でも検出信号系の歪みを補正することが可能となる。その結果、変位の変化がほとんど無いか、緩やかな変化の信号しか得られない計測でも、検出信号の補正が可能となるので、検出信号を内挿分割しても誤差を最小限に抑えることが可能となり、変位測定装置の測定精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
最初に、図１に示す基本構造を有するレーザ干渉式平面度測定装置の概要を説明する。
【００１８】
レーザ光源１から出力された直線偏光レーザは、集光レンズ２と偏波面保存光ファイバ３を介してセンサ本体４に導かれる。このセンサ本体４において、前記光ファイバ３の後端から出射されたレーザ光線は、コリメートレンズ４１で平行光にされた後、プリズムミラー４２で直交する方向に曲げられ、（１／２）λ板４３で測定光Ｌ1と参照光Ｌ2の比率が調整された後、測定用のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４４に導かれ、ここで測定光（例えば、Ｓ偏光）Ｌ1と参照光（例えば、Ｐ偏光）Ｌ2に分割される。分割後の参照光Ｌ2はＰＢＳ４４を通過して４相信号検出器４８に導かれる。
【００１９】
一方、分割後の測定光Ｌ1は、ＰＢＳ４４で直交方向に反射され、（１／４）λ板４５を通過して基準位置が設定されている反射鏡（図中、ミラー）４６に照射されて、反対方向に反射され、再び（１／４）λ板４５を通過してＰ偏光として前記ＰＢＳ４４に戻る。
【００２０】
次いで、測定光Ｌ1はＰＢＳ４４を通過して、別な（１／４）λ板４７を通過して被測定体５に照射されると共に、この表面で反射されて再び（１／４）λ板４７を通過し、Ｓ偏光としてＰＢＳ４４に戻る。
【００２１】
その後、この測定光Ｌ1は、前記ＰＢＳ４４で直交方向に反射されると同時に、前記参照光Ｌ2と合波されて同方向に進み、前記４相信号検出器４８に導かれる。その結果、この検出器４８で測定光Ｌ1と参照光Ｌ2とが干渉して生成される４相の干渉信号が電気信号に変換されると共に、該電気信号はケーブル６を介して信号処理回路７に入力され、該処理回路７において電気信号に変換された９０°位相差の正弦波信号に基づいて、前記センサ本体４から被測定体５の表面までの距離（変位）が検出されるようになっている。
【００２２】
なお、ここで４相信号検出器４８を使用して±ｓｉｎθ、±ｃｏｓθの４相信号を検出する理由は、ＤＣ成分を打ち消すためである。即ち、いま振幅をＡn、ＤＣ成分をＤｎとすると、４相の各信号：Ｖｎは以下の式で表わされる。
【００２３】
Ｖ1＝＋Ａ1sinθ＋Ｄ1
Ｖ2＝−Ａ2sinθ＋Ｄ2
Ｖ3＝＋Ａ3cosθ＋Ｄ3
Ｖ4＝−Ａ4cosθ＋Ｄ4
【００２４】
各式で、Ａ1＝Ａ2＝Ａ3＝Ａ4、Ｄ1＝Ｄ2＝Ｄ3＝Ｄ4と仮定すると、Ｖ1−Ｖ2＝２Ａsinθとなり、ＤＣ成分を除去することができる。
【００２５】
最終的にｓｉｎとｃｏｓの信号が得られればよいので、特に４相検出でなく、２相検出でもよいが、ＤＣ成分を除去し易いために、この検出器４８を採用している。
【００２６】
以上のような原理に基づいて被測定体５の表面までの距離を測定する変位測定装置において、センサ本体４を被測定体５の表面に沿った矢印方向に相対移動させて、該被測定体５の表面の平面度を走査測定する場合、平面度が良好であるほど検出器４８で検出される信号の変化は極めて僅かであり、全く変化しないことも有り得る。従って、この走査測定時に検出される電気信号に基づいて９０°位相差の正弦波信号を調整することは前述した如く事実上不可能である。
【００２７】
そのため、前述した如く現状は走査測定前に、被測定体５を叩く等して強制的に変位を発生させて信号を調整する、根気がいる調整作業を行なう方法を採っている。
【００２８】
図２には、このような不都合を改善した本実施形態のレーザ干渉式微小変位測定装置の概要を示す。ここでは、図１と同一の部材には同一の符号を使用し、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
本実施形態の変位測定装置は、センサ本体４の内部に測定光Ｌ1の光路長を強制的に変化させて１波長以上の９０°位相差の検出信号を発生させる機構を追加した点が異なるが、基本原理は前記図１の装置と実質的に同一である。
【００３０】
具体的には、センサ本体４を構成する筐体の天部に形成した凸部に、駆動手段としてＰＺＴ（圧電素子）４９を付設し、該ＰＺＴ４９に測定光Ｌ1を基準位置で被測定体５の方向に反射する反射鏡４６を固定すると共に、ケーブル８を介してＰＺＴ駆動回路９によりＰＺＴ４９に所定電圧を印加することにより、該ＰＺＴ４９を測定光Ｌ1の進行方向に強制的に数μｍ程度進退動可能とし、測定光Ｌ1の光路長を１波長分以上変化させることを可能とした。
【００３１】
その結果、被測定体５を静止した状態のままで、前記図３（Ａ）に示したような数サイクル分の９０°位相差の正弦波信号を確実に発生させることが可能となり、その信号を用いて波長長さ以上のリニアな変位を測定する場合と同様に、前記信号処理回路７において検出された信号の振幅、ＤＣオフセット及び位相の調整を行なうことにより、検出信号の歪みを補正して検出信号系を調整することが可能となる。
【００３２】
又、前記ＰＺＴ４９に対する電圧印加を解除して無電圧にすれば、前記反射鏡４６は自ずと基準位置に戻るため、測定には全く影響しない。
【００３３】
従って、本実施形態によれば、測定開始前の信号調整時に、ＰＺＴ４９に印加する電圧をリニアに変化させて光路長を数μｍ変化させることにより、検出信号を調整することが可能となり、その後走査測定することにより、平面度を高精度で測定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上説明したとおり、本発明によれば、被測定体を静止した状態で測定装置のキャリブレーションを行なうことができるため、本発明は、レーザ干渉式平面測定装置は言うに及ばず、本出願人が特願２００３−１４３８４３号により既に提案しているレーザ干渉式ギャップ測定装置にも有効に適用でき、更には被測定体によって表面の反射状態が変化する等のために、測定以外にキャリブレーションを行なう必要がある任意の測定装置に適用することにより、測定時間の大幅な短縮を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るレーザ干渉式変位測定装置の基本原理を示す模式図
【図２】本発明に係るレーザ干渉式変位測定装置の特徴を示す模式図
【図３】変位測定装置から出力される出力信号の例を示す線図
【符号の説明】
【００３６】
１…レーザ光源
２…集光レンズ
３…光ファイバ
４…センサ本体
５…被測定体
６、８…ケーブル
７…信号処理回路
９… ＰＺＴ駆動回路
４１…コリメートレンズ
４２…プリズムミラー
４３…（１／２）λ板
４４…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
４５、４７…（１／４）λ板
４６…反射鏡
４８…検出器
４９…ＰＺＴ（圧電素子）
【図１】
2006003290.tif 000003
【図２】
2006003290.tif 000004
【図３】
2006003290.tif 000005