(57)【要約】【課題】不正な戻り光を確実に除去できるレーザ干渉測長器を提供する。【解決手段】測定光を光学系の基準光軸から平行にシフトさせ偏光ビームスプリッタ３に入射させ、集光レンズ５を介して反射面６から戻される光ビームの一部を、入射および反射光ビームがその法線方向に一致して進行させるように、平面鏡１４を、偏光ビームスプリッタ３の基準軸Ａに平行な開口に対し、部分的かつ偏光ビームスプリッタ３で反射した場合の基準軸Ａからずらして配置する。この平面鏡１４は、偏光ビームスプリッタ３で反射した１パス目の光ビーム位置を中心に（基準軸Ａからのずれ量ｄ）、１パス目の光ビーム全体が反射できる面積があれば良い。これにより、正規の戻り光（２パス反射光）と、不正な戻り光（１パス反射光）を空間的に分離でき、３パスより高次数の反射光に対する入射光となる、２パス反射光に含まれ偏光ビームスプリッタ３で反射される不正な成分をカットできる。【選択図】図１
2008209272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ前記基準軸上に配置した反射面と、前記レーザ光源と前記反射面の間に位置し前記基準軸上に配置した干渉計と、前記干渉計と前記反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、
前記干渉計は、前記基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの前記基準軸に平行な開口の一部にかかる平面鏡と、前記基準軸を挟んで前記平面鏡と対向するコーナーキューブと、前記偏光ビームスプリッタの前記集光レンズ側開口に配置した第１の１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタと前記コーナーキューブの間に配置した第２の１／４波長板とを備え、
前記光ビームの光軸を前記基準軸から平行移動して前記集光レンズに導き、前記反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、前記平面鏡を前記偏光ビームスプリッタの反射した基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とするレーザ干渉測長器。
【請求項２】
周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ前記基準軸上に配置した反射面と、前記レーザ光源と前記反射面の間に位置し前記基準軸上に配置した干渉計と、前記干渉計と前記反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、
前記干渉計は、前記基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの前記基準軸に平行な開口の一部にかかる第１の平面鏡と、前記基準軸を挟んで前記第１の平面鏡と対向する第２の平面鏡と、前記偏光ビームスプリッタの前記集光レンズ側開口に配置した１／４波長板とを備え、
前記光ビームの光軸を前記基準軸から平行移動して前記集光レンズに導き、前記反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、前記第１の平面鏡を前記偏光ビームスプリッタの反射した基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とするレーザ干渉測長器。
【請求項３】
周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ前記基準軸上に配置した反射面と、前記レーザ光源と前記反射面の間に位置し前記基準軸上に配置した干渉計と、前記干渉計と前記反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、
前記干渉計は、前記基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの前記レーザ光源側開口の一部にかかる第１の平面鏡と、前記偏光ビームスプリッタの前記基準軸に平行な開口に配置した第２の平面鏡とを備え、
前記光ビームの光軸を前記基準軸から平行移動して前記集光レンズに導き、前記反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、前記第１の平面鏡を前記基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とするレーザ干渉測長器。
【請求項４】
周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ前記基準軸上に配置した第１の反射面と、前記レーザ光源と前記第１の反射面の間に位置し前記基準軸上に配置した干渉計と、前記干渉計と前記第１の反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する第１の集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、
前記干渉計は、前記基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの前記基準軸に平行な開口の一部にかかる第１の平面鏡と、前記偏光ビームスプリッタの前記第１の集光レンズ側開口に配置した第１の１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの前記基準軸を挟んで前記第１の平面鏡と対向する開口に配置した第２の１／４波長板とを備え、
前記物体の第１の反射面と反対側の前記基準軸上に背向して設けた第２の反射面と、前記基準軸において前記光ビームの一部が対向するように前記第２の反射面へ入射させる対向入射光学系と、前記干渉計と第２の反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する第２の集光レンズとを設け、
前記光ビームの光軸を前記基準軸から平行移動して前記第１，第２の集光レンズに導き、前記第１，第２の反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、前記平面鏡を前記偏光ビームスプリッタの反射した基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とするレーザ干渉測長器。
【請求項５】
周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ前記基準軸上に配置した第１の反射面と、前記レーザ光源と前記第１の反射面の間に位置し前記基準軸上に配置した干渉計と、干渉計と前記第１の反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する第１の集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、
前記干渉計は、前記基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの前記レーザ光源側開口の一部にかかる平面鏡とを備え、
前記物体の第１の反射面と反対側の前記基準軸上に背向して設けた第２の反射面と、前記基準軸において前記光ビームの一部が対向するように前記第２の反射面へ入射させる対向入射光学系と、前記干渉計と前記第２の反射面の間に配置しかつ前記基準軸に一致する光軸を有しかつ前記基準軸上に焦点を有する第２の集光レンズとを設け、
前記光ビームの光軸を前記基準軸から平行移動して前記第１，第２の集光レンズに導き、前記第１，第２の反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、前記平面鏡を前記基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とするレーザ干渉測長器。
【請求項６】
前記物体は基準軸に直交する主面を有する円板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ干渉測長器。
【請求項７】
前記基準軸を少なくとも２方向以上を有し測定を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ干渉測長器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ干渉を利用して対象物の位置，変位，速度等を測定するレーザ干渉測長器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ干渉を利用した測定は広く利用されており、特に精密測長用途に、レーザ光源を用いたレーザ測長器が用いられている。精密加工装置において、例えば回転テーブル・ドラムを有する精密加工装置の回転機構での回転振れ計測に応用展開され、また光ディスク原盤作成装置やパターンドメディア原盤作成装置等への展開も検討されている。
【０００３】
ここで、最も基本的な２波長式移動干渉計のレーザ測長器（リニア干渉計）の構成について、図６を参照しながら説明する。
【０００４】
図６に示すように、レーザ光源１のＨｅ−Ｎｅレーザは、放電部に磁場をかけてゼーマン効果によって周波数が僅かに異なる２周波数ｆ１，ｆ２成分の光ビームを送出する。周波数ｆ１，ｆ２の光ビームはレーザ光源１から出力されて干渉計１００に入る。この光ビーム成分は互いに直交する偏光面を有する直線偏光である。光ビームの２周波数ｆ１，ｆ２の成分はいずれも安定化されている。この光ビーム成分は、レーザ光源１内部の光検出器１０で光電変換され、その周波数差（ｆ１−ｆ２）のビート信号が電気的基準信号として測長回路１１へ出力されている。
【０００５】
レーザ光源１を出射した周波数ｆ１，ｆ２の光ビームは干渉計１００を構成する偏光ビームスプリッタ３で周波数成分毎に２つに分離される。一方の周波数ｆ１の光ビームは移動する対象物（物体Ｂ）に取り付けた例えばコーナーキューブなどの被測定物体の反射面６へ射出され、そこで反射されて測定光となる。他方の周波数ｆ２の光ビームは固定の基準反射鏡のコーナーキューブ８で反射されて参照光となる。測定光および参照光は再び偏光ビームスプリッタ３で合成され、干渉する。偏光ビームスプリッタ３と反射面６との間に相対的な移動があると、ドップラ効果によって測定光（周波数ｆ１）の周波数がΔｆだけ変化し、すなわちドップラ成分が加わり、（ｆ１±Δｆ）となる。
【０００６】
偏光ビームスプリッタ３で互いに干渉した光ビームは光検出器１０で光電変換されて、偏倚したビート信号の測長信号（ｆ１−ｆ２±Δｆ）がヘテロダイン検波により光周波数の差として得られる。測長回路１１では、この測長信号（ｆ１−ｆ２±Δｆ）とレーザ光源１の基準信号（ｆ１−ｆ２）との差分である±Δｆのみが求められ、位置情報に変換される。すなわち、測長回路１１の周波数カウンタにより測長信号と基準信号の計数差を求め、この差に光ビームの波長の１／２を乗じた値が偏光ビームスプリッタ３に対する被測定物体Ｂ（反射面６）の移動距離となる。
【０００７】
また、図７は光学系の干渉光路を２パス化したシングルビーム２パス干渉計の構成を示す図である。図７に示したように、スペースの制限により小さな反射面６を測定する場合や反射面６が円筒面，球面な場合に、シングルビーム干渉計を使用することがある。シングルビーム干渉計を用いたレーザ測長器の高分解能化する技術に、測長光を偏光ビームスプリッタ３と被測定物体Ｂの反射面６の間の光路において２回通過させてドップラ成分を増やし、分解能を上げるシングルビーム２パス干渉計がある。
【０００８】
図７に光学系の干渉光路を２パス化して高分解能化を図ったシングルビーム２パス干渉計の構成を示す。図６および図７において、レーザ光源１は、それぞれが直交する偏光面を有し周波数が僅かに異なる２つの光ビーム（周波数ｆｌ，ｆ２）を生成し、それら光ビームは光源からの光軸において同軸に伝播して戻るが、両図において説明のために光ビームはそれぞれ平行に離れて記載されている。
【０００９】
シングルビーム２パス干渉計は、偏光ビームスプリッタ３と、偏光ビームスプリッタ３および光軸を挟んで対向するコーナーキューブ８，９と、偏光ビームスプリッタ３の射出側の光軸上に配置された１／４波長板４と、偏光ビームスプリッタ３とコーナーキューブ８の間に配置された１／４波長板７とを備えている。
【００１０】
図７に示すように、２つの光ビーム（周波数ｆｌ，ｆ２）を生成するレーザ光源１から出た２つの光ビームは無偏光ビームスプリッタ２を通過して偏光ビームスプリッタ３に入射し分離される。偏光ビームスプリッタ３を透過した周波数ｆ１の光ビームは測定対象物に取り付けた反射面６で反射して、ここで、偏光ビームスプリッタ３と被測定物体の反射面６との間に相対的な移動があると、ドップラ成分が加わって（ｆ１±Δｆ）となり、再び偏光ビームスプリッタ３に戻る。（ｆ１±Δｆ）の光ビームは１／４波長板４を２回通過して偏光面が９０度回転しているために、今度は偏光ビームスプリッタ３で反射されてコーナーキューブ９の方向に進む。コーナーキューブ９で折り返された（ｆ１±Δｆ）の光ビームは、偏光ビームスプリッタ３で反射して再び１／４波長板４を通過し、被測定物体の反射面６で反射され（ｆ１±２Δｆ）となり、再び１／４波長板４を通過して偏光ビームスプリッタ３に戻る。
【００１１】
一方、周波数ｆ２の光ビームは参照光として偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板７，コーナーキューブ８，１／４波長板７，偏光ビームスプリッタ３，コーナーキューブ９，偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板７，コーナーキューブ８，１／４波長板７，偏光ビームスプリッタ３の経路をたどる。ここで、コーナーキューブ８は基準反射鏡であり、偏光ビームスプリッタ３に固定されている。それぞれ偏光ビームスプリッタ３に戻った測定光および参照光は再び合成され、無偏光ビームスプリッタ２の方向へ進み、その半分が反射して曲げられ光検出器１０に入る。干渉して合成された光ビームは光検出器１０でヘテロダイン検波により電気信号に変換され測長信号（ｆ１−ｆ２±２Δｆ）となる。測長回路１１では、測長信号（ｆ１−ｆ２±２Δｆ）とレーザ光源の基準信号（ｆｌ−ｆ２）との差分である（±２Δｆ）のみが求められ、位置情報に変換される。このように、シングルビーム２パス干渉計では、測定光が干渉計と測定反射鏡（反射面６）間を２往復することになり、ドップラ成分は（±２Δｆ）となるため、分解能は通常のシングルビーム干渉計の２倍となる。
【００１２】
前述のシングルビーム２パス干渉計を用いたレーザ測長器を使用するうえで、例えば図８に示すように装置の構成上、干渉光路上（偏光ビームスプリッタ３と被測定物体Ｂの反射面６の間）にビームベンダ１２などの偏光に乱れを生じさせる部品を配置する必要がある場合、または、反射面６自体が偏光に乱れを生じさせる場合がある。このような場合、偏光ビームスプリッタ３と１／４波長板４による反射光のアイソレートが不完全となり、正規の戻り光（２パス反射光）のほかに不正な戻り光（主に１パス反射光や３パス反射光）も光検出器１０に到達する現象が起こる。すなわち、レーザ光源１，無偏光ビームスプリッタ２，偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板４，ビームベンダ１２，被測定物体の反射面６，ビームベンダ１２，１／４波長板４，偏光ビームスプリッタ３の経路を経てコーナーキューブ９方向へ反射すべき光ビームの一部が無偏光ビームスプリッタ２方向へ透過し、これが不正な１パス反射光（ｆ１±Δｆ）となって光検出器１０に到達する。
【００１３】
また、同様に、正常な経路すなわちレーザ光源１，無偏光ビームスプリッタ２，偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板４，ビームベンダ１２，被測定物体の反射面６，ビームベンダ１２，１／４波長板４，偏光ビームスプリッタ３，コーナーキューブ９，偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板４，ビームベンダ１２，反射面６，ビームベンダ１２，１／４波長板４，偏光ビームスプリッタ３の経路をたどり無偏光ビームスプリッタ２方向へ透過すべき２パス反射光（ｆｌ±２△ｆ）の一部は、コーナーキューブ９方向へ反射して再びコーナーキューブ９から偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板４，ビームベンダ１２，反射面６，ビームベンダ１２，１／４波長板４，偏光ビームスプリッタ３，無偏光ビームスプリッタ２の経路をたどる３パス反射光（ｆｌ±３Δｆ）となって、光検出器１０に到達する。
【００１４】
これらの不正な戻り光（ｆ１±Δｆ）、（ｆｌ±３Δｆ）が光検出器１０に入射すると、測定誤差要因となるばかりではなく、正規の戻り光（ｆ１±２Δｆ）と干渉を起こすために測定自体ができなくなる場合もある。
【００１５】
このシングルビーム２パス干渉計の問題点を解決するため、特許文献１では、干渉計への入射光を光学系全体の光軸からシフトさせて、１，３パス目の不正戻り光と、２パス目の所望の戻り光を光路分離して、光検出器に不正な戻り光が入らないようにしている。すなわち、特許文献１では、図９に示すように、従来のコーナーキューブの代わりに平面反射鏡１３を配置し、さらに測定光を偏光ビームスプリッタ３の中心から偏倚して入射させる構成により、正規の戻り光（２パス反射光）と、不正な戻り光（１パス反射光および３パス反射光）を空間的に分離し、光検出器１０へ入射できないようにしている。また、前記図７の基準反射鏡として使用しているコーナーキューブ８，９を、図９の平面反射鏡１３に置き換えた構成として同様の動作を達成する。
【００１６】
また、特許文献２には、特に円筒側面のような移動曲面の変位計測において、被測定面の微細な凹凸の影響を受けない測定を行うことが記載されている。概ね円形である光源の出射ビームを１方向のみに収束させる対物レンズ光学系を備え、測定ビームを１方向のみに収束させて、被測定物体表面にスリット状に集光されるよう照射すること、また、光ビームの集光方向は被測定物体の曲面（Ｙ方向）と一致させている。被測定物体の曲面が切削製作された場合に、円筒側面でＹ方向に延びた切削痕ＱがＹ方向と直交するＸ方向に並ぶことになるが、前述したように測定ビームＰはＸ方向に十分長く、被測定面のミクロな凹凸である切削痕や傷の影響は平均化されるため、変位データ精度に影響を及ぼすことはない。一方で、測定ビームはＹ方向には小さく絞られており、物体表面からの反射光が得られるので、曲面の変位測定を行うことができる。
【特許文献１】特開２００３−２７９３０９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に記載されたレーザ測長器では、測定対象物体の反射面６からの反射光の偏光状態に乱れがあると、２パス反射光のうち平面反射鏡１３を反射する成分を取りきれない。この成分は３パス光の原因となるが、３パス光の偏光状態に乱れがあると、同様に平面反射鏡１３を反射する成分が存在し、４パス光の原因となり、同様な理由で高次パス光が発生する。このうち奇数次の高次パスの不正反射光は光路分離によって光検出器に入ることはないが、４パス等偶数次の不正反射光は同じ光路にあり光検出器に取り込まれるので、測定誤差の発生や測定の不安定性等を引き起こす可能性が残る（図９参照）。
【００１８】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、シングルビーム２パス干渉計における光学系に係り、不正な戻り光を確実に除去できるレーザ干渉測長器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】
【００１９】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載したレーザ干渉測長器は、周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ基準軸上に配置した反射面と、レーザ光源と反射面の間に位置し基準軸上に配置した干渉計と、干渉計と反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、干渉計は、基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの基準軸に平行な開口の一部にかかる平面鏡と、基準軸を挟んで平面鏡と対向するコーナーキューブと、偏光ビームスプリッタの集光レンズ側開口に配置した第１の１／４波長板と、偏光ビームスプリッタとコーナーキューブの間に配置した第２の１／４波長板とを備え、光ビームの光軸を基準軸から平行移動して集光レンズに導き、反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、平面鏡を偏光ビームスプリッタの反射した基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項２に記載したレーザ干渉測長器は、周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ基準軸上に配置した反射面と、レーザ光源と反射面の間に位置し基準軸上に配置した干渉計と、干渉計と反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、干渉計は、基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの基準軸に平行な開口の一部にかかる第１の平面鏡と、基準軸を挟んで第１の平面鏡と対向する第２の平面鏡と、偏光ビームスプリッタの集光レンズ側開口に配置した１／４波長板とを備え、光ビームの光軸を基準軸から平行移動して集光レンズに導き、反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、第１の平面鏡を偏光ビームスプリッタの反射した基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３に記載したレーザ干渉測長器は、周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ基準軸上に配置した反射面と、レーザ光源と反射面の間に位置し基準軸上に配置した干渉計と、干渉計と反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、干渉計は、基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタのレーザ光源側開口の一部にかかる第１の平面鏡と、偏光ビームスプリッタの基準軸に平行な開口に配置した第２の平面鏡とを備え、光ビームの光軸を基準軸から平行移動して集光レンズに導き、反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、第１の平面鏡を基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項４に記載したレーザ干渉測長器は、周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ基準軸上に配置した第１の反射面と、レーザ光源と第１の反射面の間に位置し基準軸上に配置した干渉計と、干渉計と第１の反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する第１の集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、干渉計は、基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの基準軸に平行な開口の一部にかかる第１の平面鏡と、偏光ビームスプリッタの第１の集光レンズ側開口に配置した第１の１／４波長板と、偏光ビームスプリッタの基準軸を挟んで第１の平面鏡と対向する開口に配置した第２の１／４波長板とを備え、物体の第１の反射面と反対側の基準軸上に背向して設けた第２の反射面と、基準軸において光ビームの一部が対向するように第２の反射面へ入射させる対向入射光学系と、干渉計と第２の反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する第２の集光レンズとを設け、光ビームの光軸を基準軸から平行移動して第１，第２の集光レンズに導き、第１，第２の反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、平面鏡を偏光ビームスプリッタの反射した基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とする。
【００２３】
また、請求項５に記載したレーザ干渉測長器は、周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するレーザ光源と、基準軸上で動く物体に含まれ基準軸上に配置した第１の反射面と、レーザ光源と第１の反射面の間に位置し基準軸上に配置した干渉計と、干渉計と第１の反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する第１の集光レンズとを含むレーザ干渉測長器において、干渉計は、基準軸上に配置した偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタのレーザ光源側開口の一部にかかる平面鏡とを備え、物体の第１の反射面と反対側の基準軸上に背向して設けた第２の反射面と、基準軸において光ビームの一部が対向するように第２の反射面へ入射させる対向入射光学系と、干渉計と第２の反射面の間に配置しかつ基準軸に一致する光軸を有しかつ基準軸上に焦点を有する第２の集光レンズとを設け、光ビームの光軸を基準軸から平行移動して第１，第２の集光レンズに導き、第１，第２の反射面からの１パス目の戻り光だけを反射させるように、平面鏡を基準軸に対しシフトして配置したことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項６，７に記載したレーザ干渉測長器は、前記レーザ干渉測長器であって、物体は基準軸に直交する主面を有する円板であること、また、基準軸を少なくとも２方向以上を有し測定を行うことを特徴とする。
【００２５】
前記構成によれば、不正な１パス戻り光を除去すると共に、不正な３パス以上の戻り光を発生させないようにでき、干渉測長の乱れを気にすることなく安定性を高めて、光学系の構成に自由度が得られ、さらに、物体に背向して配置した２つの反射面により、逆相の変位を差動測定することで倍の高分解能化による差動測長ができ、光学的に高分解能化を実現できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、不正な戻り光を除去して干渉測長の安定性をより高めることができ、光学系の構成に自由度が得られ、さらに、物体に背向して２つ配置した反射面により、逆相の変位を差動測定して光学的に倍の高分解能化を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図である。ここで、前記従来例を示す図６〜図８において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示し、以下の各図においても同様とする。
【００２９】
図１に示すレーザ光源１は、周波数と偏光方向の異なる２つの可干渉性の光ビームを同軸の光軸にて生成するゼーマンＨｅ−Ｎｅレーザである。２パスの干渉計１００は、レーザ光源１および反射面６の間に位置し基準軸Ａ上に配置される。干渉計１００は、基準軸Ａ上に配置された偏光ビームスプリッタ３と、偏光ビームスプリッタ３と基準軸を挟んで対向する１対の固定コーナーキューブ８および平面鏡１４とを有する。干渉計１００は、さらに、偏光ビームスプリッタ３の射出側に配置された１／４波長板４と、偏光ビームスプリッタ３とコーナーキューブ８の間に配置された１／４波長板７とを備えている。ここで、コーナーキューブ８は基準反射鏡であり、レーザ光源１から入射した２つの同軸可干渉性光ビームのうち一方から参照光（周波数ｆ２）を生成する。レーザ光源１から入射した他方の光ビームは、測定光（周波数ｆ１）としてレーザ干渉測長器の基準軸Ａ上に動く物体Ｂに含まれ基準軸Ａ上に垂直に配置された反射鏡の反射面６に向けて照射される。
【００３０】
レーザ光源１からの可干渉性の光ビーム光軸は、基準軸Ａから平行にシフト（ずらし量：ｄ）して干渉計１００に入射するように、レーザ光源１もしくは途中の光学系が設定されている。
【００３１】
集光レンズ５は、干渉計１００と反射面６の間に配置されかつ基準軸Ａに一致する光軸を有しかつ基準軸Ａ上に焦点を有する。集光レンズ５は測定光を被測定物体の反射面６に集光させることで、集光レンズ５を通る入・反射光軸は、基準軸Ａに対し同じ量平行シフト（ｄ）した状態になっている。
【００３２】
本実施形態１のシングルビーム２パス干渉計を用いたレーザ干渉測長器では、図１に示すように、測定光を光学系の基準光軸から平行にシフトさせて偏光ビームスプリッタ３に入射させる構成としたうえで、さらに平面鏡１４を、集光レンズ５を介して反射面６から戻される光ビームの一部を、入射および反射光ビームがその法線方向に一致して進行させるように、偏光ビームスプリッタ３の基準軸Ａに平行な開口に対して、部分的かつ偏光ビームスプリッタ３で反射した場合の基準軸Ａからずれた状態で配置する。
【００３３】
平面鏡１４は、偏光ビームスプリッタ３によって反射された１パス目の光ビーム位置を中心に（基準軸Ａからのずれ量ｄ）、１パス目の光ビーム全体が反射できる面積があれば十分である。この構成により、正規の戻り光（２パス反射光）と、不正な戻り光（１パス反射光）を空間的に分離することができるうえ、３パスより高次数の反射光に対する入射光となる、２パス反射光に含まれ偏光ビームスプリッタ３により反射される不正な成分をカットすることができる。
【００３４】
すなわち、２パス反射光の正規戻り光成分（ｆｌ±２Δｆ）だけが、光検出器１０に入射し、１パス反射光による不正な戻り光成分（ｆｌ±Δｆ）は、光路分離により光検出器１０には入射しない。また高次数の不正反射光は原理的に発生しない。
【００３５】
一方、参照光はレーザ光源１から、無偏光ビームスプリッタ２，偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板７，コーナーキューブ８，１／４波長板７，偏光ビームスプリッタ３，平面鏡１４，偏光ビームスプリッタ３，１／４波長板７，コーナーキューブ８，１／４波長板７，偏光ビームスプリッタ３の経路を通って入射光と同一の光軸で無偏光ビームスプリッタ２へ戻り、光検出器１０に入射する。
【００３６】
したがって、干渉して合成された光ビームは光検出器１０でヘテロダイン検波により測長信号（ｆ１−ｆ２±２Δｆ）の電気信号に変換され、測長回路１１では、測長信号（ｆ１−ｆ２±２Δｆ）とレーザ光源１の基準信号（ｆｌ−ｆ２）との差分である（±２Δｆ）のみが安定して求められ、位置情報に変換される。
【００３７】
なお、平面鏡１４の替わりに、１パス目の光ビーム位置を中心に、１パス目の光ビーム全体を反射させるコーナーキューブを利用することも可能である。
【００３８】
（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図である。本実施形態２のレーザ干渉測長器は、前述の実施形態１の図１に示した基準反射鏡として使用しているコーナーキューブ８を、入射および反射光ビームがその法線方向に一致して進行するように固定配置された平面鏡１７に置き換え、１／４波長板７をなくした構成であり、実施形態１と同様の動作を達成する。
【００３９】
なお、平面鏡１４の替わりに、１パス目の光ビーム位置を中心に、１パス目の光ビーム全体を反射させるコーナーキューブを利用することも可能である。
【００４０】
（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図である。本実施形態３のレーザ干渉測長器は、前述の実施形態２の干渉計１００から、１／４波長板４がなくなり、平面鏡１４の位置が、偏光ビームスプリッタ３の入射面側開口に配置した構成になっており、実施形態１，２と同様の動作を達成するが、１パス反射光による不正な戻り光成分（ｆｌ±Δｆ）は、光路分離により光検出器１０には入射せず、実施形態１，２と比較して信頼性がより高い。
【００４１】
なお、平面鏡１４の替わりに、１パス目の光ビーム位置を中心に、１パス目の光ビーム全体を反射させるコーナーキューブを利用することも可能である。
【００４２】
（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図である。本実施形態４のレーザ干渉測長器は、前述の実施形態１のレーザ干渉測長器を差動測定する構成に変更したものである。
【００４３】
図１のコーナーキューブ８を、３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、集光レンズ１５および被測定物体Ｂの反射面１６に置換した以外同一である。反射面１６は、物体Ｂの反射面６と反対側の基準軸Ａ上に設けられかつ反射面６に平行に背向している。３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、基準軸Ａにおいて光ビームの一部が対向するように反射面１６へ入射させる対向入射光学系をなしている。
【００４４】
図４に示すように、最初に偏光ビームスプリッタ３で９０度曲げられた光ビーム（ｆ２）は、干渉計１００と被測定物体Ｂの反射面１６の間を２往復する。すなわち、３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃで反対側の反射面１６に導かれた光ビーム（ｆ２）は、そこで反射した後、同じ光路を戻り、１／４波長板７を２回透過するので、戻ってきた光ビームは偏光ビームスプリッタ３を透過して平面鏡１４へ至り反射され、さらに同一経路を戻って再び反射面１６に当たり、反射して偏光ビームスプリッタ３に再び戻った光ビームは偏光面がさらに９０度回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ３で曲げられてレーザ光源１側に戻る。戻った光ビームの一部が無偏光ビームスプリッタ２で分離され、光検出器１０に入射する。この時、被測定物体Ｂと干渉計１００の間に相対的な移動があると、ドップラ成分が加わり、光ビーム（ｆ１）は（ｆ１±２Δｆ）、光ビーム（ｆ２）は（ｆ２±２Δｆ）となるため、ヘテロダイン検波された測長信号は（ｆ１−ｆ２±４Δｆ）となり、分解能は基本構成のシングルビーム干渉計の４倍となる。
【００４５】
なお、平面鏡１４の替わりに、１パス目の光ビーム位置を中心に、１パス目の光ビーム全体を反射させるコーナーキューブを利用することも可能である。
【００４６】
（実施形態５）
図５は本発明の実施形態５におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図である。本実施形態５のレーザ干渉測長器は、前述の実施形態３のレーザ干渉測長器を差動測定する構成に変更したものである。
【００４７】
図３の平面鏡１７を、３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、集光レンズ１５および被測定物体Ｂの反射面１６に置換した以外同一である。反射面１６は、物体Ｂの反射面６と反対側の測定軸Ａ上に設けられかつ反射面６に平行に背向している。３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、基準軸Ａにおいて光ビームの一部が対向するように反射面１６へ入射させる対向入射光学系をなしている。
【００４８】
図５に示すように、最初に偏光ビームスプリッタ３で９０度曲げられた光ビーム（ｆ２）は、干渉計１００と被測定物体Ｂの反射面１６の間を２往復する。すなわち、３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃで反対側の反射面１６に導かれた光ビーム（ｆ２）は、そこで反射した後、同じ光路を戻り、戻ってきた光ビームは偏光ビームスプリッタ３で９０度曲げられて平面鏡１４へ至り反射され、さらに同一経路を戻って再び反射面１６に当たり、反射して偏光ビームスプリッタ３に再び戻った光ビームは再び偏光ビームスプリッタ３で曲げられてレーザ光源１側に戻る。戻った光ビームの一部が無偏光ビームスプリッタ２で分離され、光検出器１０に入射する。この時、被測定物体Ｂと干渉計１００の間に相対的な移動があると、ドップラ成分が加わり、光ビーム（ｆ１）は（ｆ１±２Δｆ）、光ビーム（ｆ２）は（ｆ２±２Δｆ）となるため、ヘテロダイン検波された測長信号は（ｆ１−ｆ２±４Δｆ）となり、分解能は基本構成のシングルビーム干渉計の４倍となる。
【００４９】
なお、平面鏡１４の替わりに、１パス目の光ビーム位置を中心に、１パス目の光ビーム全体を反射させるコーナーキューブを利用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係るレーザ干渉測長器は、不正な戻り光を除去して干渉測長の安定性をより高めることができ、光学系の構成に自由度が得られ、さらに、物体に背向して２つ配置した反射面により、逆相の変位を差動測定して光学的に倍の高分解能化を実現でき、レーザ干渉を利用して対象物の位置，変位，速度等を測定に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態１におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図
【図２】本発明の実施形態２におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図
【図３】本発明の実施形態３におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図
【図４】本発明の実施形態４におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図
【図５】本発明の実施形態５におけるレーザ干渉測長器の概略構成を示す図
【図６】従来の基本的な２波長式移動干渉計の構成を示す図
【図７】従来のシングルビーム２パス干渉計の構成を示す図
【図８】従来のシングルビーム２パス干渉計にビームベンダを有する構成を示す図
【図９】従来のコーナーキューブに代えて平面反射鏡を有したシングルビーム２パス干渉計の構成を示す図
【符号の説明】
【００５２】
１  レーザ光源
２  無偏光ビームスプリッタ
３  偏光ビームスプリッタ
４，７  １／４波長板
５，１５  集光レンズ
６，１６  反射面
８，９  コーナーキューブ
１０  光検出器
１１  測長回路
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  ビームベンダ
１３  平面反射鏡
１４，１７  平面鏡
【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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