(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から少なくとも２つの光ビームに分割して、それぞれ異なる光路を通過させてから再結合後、干渉させることによって干渉光を生成し、干渉計により当該干渉光を光電変換した光周波数に基づいて、光路に含まれる測定軸に直交する回転軸及び側面としての円筒反射面又は球面反射面を含む回転体の当該回転軸の振れの変位を測定するヘテロダイン干渉式レーザ測長器であって、
少なくとも２つの測定光をレーザ光源から生成する手段と、
前記測定軸において前記測定光が対向するように、前記測定軸上にて互いに背向する前記回転体直径上側面の２箇所の円筒反射面又は球面反射面へ、前記測定光をそれぞれ１点として収束せしめる対向入射光学系と、を含むことを特徴とするレーザ測長器。
【請求項２】
前記対向入射光学系が前記回転体周りに複数設けられたことを特徴とする請求項１記載のレーザ測長器。
【請求項３】
レーザ光源から少なくとも２つの光ビームに分割して、それぞれ異なる光路を通過させてから再結合後、干渉させることによって干渉光を生成し、干渉計により当該干渉光を光電変換した光周波数に基づいて、光路に含まれる測定軸に直交する回転軸及び側面としての円筒反射面又は球面反射面を含む回転体の当該回転軸の振れの変位を測定するヘテロダイン干渉式レーザ測長方法であって、
少なくとも２つの測定光をレーザ光源から生成する工程と、
前記測定軸において前記測定光が対向するように、前記回転体に含まれかつ前記測定軸上にて互いに背向する前記回転体直径上側面の２箇所の円筒反射面又は球面反射面へ、前記測定光をそれぞれ１点として収束せしめる工程と、を含むことを特徴とするレーザ測長方法。
【請求項４】
前記測定光が対向するように前記測定光をそれぞれ１点として収束せしめる対向入射光学系が前記回転体周りに複数設けられたことを特徴とする請求項３記載のレーザ測長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定すべき対象物を測長するレーザ測長器及びその測長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光源から少なくとも２つの可干渉性の光ビ−ムに分割して、それぞれ異なる光路を通過させてから再結合後、干渉させる干渉計は、測長技術に応用されている。
光波の干渉を利用した長さの測定には、測定すべき対象物の両端における干渉縞を観測して測長する合致法と、移動可能な測定反射鏡を用いて干渉計を構成し、測定すべき長さの始点から終点まで測定反射鏡を動かしてその間に生ずる干渉縞の明暗を計数する計数法とがある。計数法の１つにレーザ光源を用いるレーザ測長器があり、これは精密な長さ測定に広く用いられている。
【０００３】
図１は最も基本的な２波長式移動干渉計のレーザ測長器（リニア干渉計）の構成を示す。レーザ光源の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わずかに異なる２周波数ｆ1，ｆ2の成分の光を送出する。この光ビーム成分は直交する偏光面を持ち互いに回転方向が逆の２つの円偏光を出すようにしてある。光ビームの２周波数成分ｆ1，ｆ2はいずれも安定化されている。この光ビームは、まず、レーザ光源内で２つに分けられ、その一方の光ビームは、直接、光源内部の光検出器で光電変換され、ｆ1−ｆ2のビート信号が電気的基準信号として出力され、他方の成分ｆ1，ｆ2の光ビームは光源から出力されて干渉計に入る。
【０００４】
干渉計に入った光ビームは偏光ビームスプリッタで周波数成分毎に２つに分離され、一方の光ｆ1は移動する対象物に取り付けた例えばコーナーキューブなどの測定反射鏡へ射出されそこで反射され測定光となり、他方の光ｆ2は固定の基準反射鏡で反射されて参照光となり、それらは再び偏光ビームスプリッタで合成され、すなわち干渉する。ビームスプリッタと測定反射鏡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光ｆ1はｆ1±Δｆとなる。ビームスプリッタで互いに干渉した光は光検出器で光電変換されて、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。測長回路では、この測長信号ｆ1−ｆ2±Δｆとレーザ光源の基準信号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を乗じた値がビームスプリッタに対する測定反射鏡の移動距離となる。
【０００５】
さらに、レーザ測長器の高分解能化する技術に、ビームスプリッタ及び測定反射鏡の間の光路に測長光を複数回通過させてドップラ成分を増やし、分解能を上げた２パス干渉計や４パス干渉計がある。
図２にレーザ測長器の分解能を光学的に改善した２パス干渉計の構成を示す。
２パス干渉計は、偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタ及び光軸を挟んで対向するコーナキューブ及び基準平面鏡と、光軸上並びに偏光ビームスプリッタ及びコーナキューブ間にそれぞれ配置された２枚の１／４波長板とを備え、測定反射鏡には平面鏡を用いる。
【０００６】
レーザ光源から射出された直交する偏光面を持つ２周波数ｆ1，ｆ2の光は、偏光ビームスプリッタで分離される。一方の成分ｆ1の光は偏光ビームスプリッタで反射して９０度曲げられ、１／４波長板を透過し固定された基準平面鏡で反射され戻り、再び１／４波長板を通る。そのため、この参照光の偏光面は９０度回転するため、再び、偏光ビームスプリッタを透過してコーナキューブに達する。コーナキューブで折り返された参照光は、ビームスプリッタを透過して再び基準平面鏡で反射される。この際、光は１／４波長板を２回通るため、今度はビームスプリッタで反射して曲げられ、光源側に戻り光検出器に入射する。
【０００７】
他方の成分ｆ2の光はレーザ光源からビームスプリッタを透過し、測定反射鏡の平面鏡で反射して測定光としてビームスプリッタに戻る。この時、測定光は１／４波長板を２度通過したため、今度はビームスプリッタで反射して曲げられコーナキューブへ到り、そして、コーナキューブで折り返され、ビームスプリッタで曲げられて再び、測定反射鏡の平面鏡に向かう。測定反射鏡の平面鏡で反射してビームスプリッタに戻ってきた測定光は偏光面が回転しているため、今度はビームスプリッタを透過して光源側に戻り光検出器に入射する。
【０００８】
したがって、測定光は干渉計と測定反射鏡間を２往復することになり、ドップラ成分は±２Δｆとなるため、分解能はリニア干渉計の２倍となる。
４パス干渉計は、参照光及び測定光の２往復の倍の光路長が増えるのでその分の光路長を増すため、２パス干渉計のビームスプリッタ近傍ににさらにビームベンダとコーナキューブを１つ追加した構造になっており、測定光は干渉計と測定反射鏡間を４往復するため、測定分解能はリニア干渉計の４倍となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ測長器の高分解能化技術である２パス干渉計や４パス干渉計は、増加する光学部品に光路を設けるため及び２本又は４本の光ビームを測定用平面鏡に垂直入射させる構成であるため、比較的大口径の平面鏡を対象物に取り付ける必要がある。よって、スペースの制限により小さな測定反射面を測定する場合や、また、測定反射面が円筒面や球面などの平面鏡でない場合には使用することはできない。
【００１０】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、使用する干渉計や反射面に関係なく測長分解能を光学的に倍化できる光学構成の簡単なレーザ測長器及びレーザ測長方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ測長器は、レーザ光源から少なくとも２つの光ビームに分割して、それぞれ異なる光路を通過させてから再結合後、干渉させることによって干渉光を生成し、当該干渉光を光電変換した光周波数に基づいて、光路の一部の光路長を変化させる物体の移動量を測定するレーザ測長器であって、
少なくとも２つの測定光をレーザ光源から生成する手段と、
測定軸上にて動く物体に含まれかつ前記測定軸上にて互いに背向する２つの反射面と、
前記測定軸において前記測定光が対向するように前記反射面へそれぞれ入射せしめる対向入射光学系と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明のレーザ測長器においては、前記反射面は物体に設けられた反射鏡からなることを特徴とする。
本発明のレーザ測長器においては、前記物体は前記測定軸に直交する回転軸を有する円筒であり、前記反射面は前記円筒の直径上に対向する側面であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のレーザ測長器においては、前記対向入射光学系が複数設けられたことを特徴とする。
本発明のレーザ測長方法は、レーザ光源から少なくとも２つの光ビ−ムに分割して、それぞれ異なる光路を通過させてから再結合後、干渉させることによって干渉光を生成し、当該干渉光を光電変換した光周波数に基づいて、光路の一部の光路長を変化させる物体の移動量を測定するレーザ測長方法であって、
測定軸上にて動く物体に含まれかつ前記測定軸上にて互いに背向する２つの反射面を設定する工程と、
少なくとも２つの測定光をレーザ光源から生成する工程と、
前記測定軸において前記測定光が対向するように前記反射面へそれぞれ入射せしめる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明のレーザ測長方法においては、前記反射面は物体に設けられた反射鏡からなることを特徴とする。
本発明のレーザ測長方法においては、前記物体は前記測定軸に直交する回転軸を有する円筒であり、前記反射面は前記円筒の直径上に対向する側面であることを特徴とする。
【００１５】
本発明のレーザ測長方法においては、前記対向入射光学系が複数設けられたことを特徴とする。
【００１６】
【作用】
従来のレーザ測長器構成では、固定された基準反射鏡の反射光と移動する対象物に取り付けた測定反射鏡の反射光とを干渉させて移動変位を測定していた。これに対し、本発明のレーザ測長器は、固定の基準反射鏡をなくし、移動する対象物の測定軸上に互いに背向した２つの反射鏡又は面を配置し、干渉計の偏光ビームスプリッタで分離された２つの光が２つの反射鏡に対向して入射するようにし、偏光ビームスプリッタから背向反射鏡対までの相対的変位を差動測定することで、検出される変位を倍にして、測定分解能を従来構成の倍に高分解能化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による実施形態のレーザ測長器を図面を参照しつつ説明する。
図３は実施形態のレーザ測長器における差動測定をリニア干渉計に適用した構成を示す。リニア干渉計は、対象物Ｂの測定軸Ａ上に配置され互いに背向した２つの反射鏡１，２と、偏光ビームスプリッタ３で分離された２つの光ｆ1，ｆ2が２つの反射鏡１，２に対向して入射するように配置されたビームベンダ（４５度反射鏡）４，５，６などの光学系を有する。レーザ光源ＬＳから干渉計に入った２周波数成分の光ｆ1，ｆ2は、偏光ビームスプリッタ３で分離される。対向して反射鏡１，２へ入射する２つの光ｆ1，ｆ2はドップラ効果によって周波数変化し、それぞれの光路を戻り、偏光ビームスプリッタ３で互いに干渉する。干渉した反射光は光検出器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±２Δｆ）がヘテロダイン検波により得られる。光検出器１０に接続された測長回路１１では、この測長信号ｆ1−ｆ2±２Δｆとレーザ光源ＬＳからの基準信号ｆ1−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、反射鏡１で反射した光ｆ1のドップラ成分と、反射鏡２で反射した光ｆ2のドップラ成分とは正負の同一周波数成分となるため、測長信号はｆ1−ｆ2±２Δｆとなり、従来のリニア干渉計のものより、変位感度は光学的に２倍となり、測定分解能が２倍となる。
【００１８】
言い換えると、この構成では、共軸上の対向する２つの測定光を用い、偏光ビームスプリッタ３から反射鏡１までの相対変位と、偏光ビームスプリッタ３から反射鏡２までの相対変位とを差動測定していることになる。そして、それらの２つの相対変位は、対象物の移動変位が逆相で現われるため、その差分は対象物の移動変位の２倍となる。このため、２倍の分解能が得られるのである。なお、測定反射鏡としては常に垂直反射の条件をみたす必要から、向きが変化しても反射光が入射光と平行に戻るプリズムであるコーナーキューブ又はキャッツアイを用い得る。コーナーキューブは正六面体の角を斜めに切り取った形の四面体プリズムで、反射面は斜面となり、斜面から入射した光は入射角に関係なく正しく逆方向に戻る性質をもつ。キャッツアイは凸レンズと平面鏡の組み合わせで同様な性質を持たせたものである。
【００１９】
本発明は、測定軸に対して測定光を対向して入射し、反射させることができれば、干渉計の種類、反射鏡の種類大きさに関係なく、広範囲に適用することができる。
例えば、図４は、本発明をシングルビーム干渉計に適用した構成を示す。シングルビーム干渉計はリニア干渉計に１／４波長板を２つ加えた構成で、両測定光が干渉計中心付近のそれぞれ１軸を通るようになっている。シングルビーム干渉計を使用した場合、往復の光路が同一であるため小さな反射鏡で測定が可能であるという特長がある。また、反射面はコーナーキューブのほか、測定光をレンズで収束して図５のようにキャッツアイ構成（鏡１Ａ及び凸レンズ１Ｂ）とすれば、反射面が平面に限られず、円筒面や球面などでも測定が可能となるため用途も広い。なお、コーナーキューブの場合は、反射面はコーナーキューブの中心になる。
【００２０】
レーザ光源ＬＳから干渉計に入った２周波数成分の光ｆ1，ｆ2は、偏光ビームスプリッタ３で分離される。一方の光ｆ1は透過して反射鏡１で反射して、偏光ビームスプリッタ３に戻るが、その間に１／４波長板１３を２回透過するので、戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ３で９０度曲げられ光検出器１０に入る。また、もう一方の光ｆ2は最初に偏光ビームスプリッタ３で曲げられ、さらに、３個のビームベンダ４，５，６で反対側の反射鏡２に導かれ、そこで反射した後、同じ光路を戻り、１／４波長板１４を２回透過するので、戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ３を透過して光検出器１０に入る。よって、変位感度は、従来のリニア干渉計、シングルビーム干渉計の２倍となり、分解能は２倍となる。
【００２１】
さらに、このほかにも、例えば、２パス干渉計の分解能を従来のリニア干渉計の４倍に、４パス干渉計の分解能を従来のリニア干渉計の８倍に高めることなども可能である。
図６は、図４のシングルビーム干渉計を変形したシングルビーム２パス干渉計の差動測定の構成を示す。レーザ光源ＬＳから出た２成分の光ｆ1，ｆ2は、無偏光ビームスプリッタ１６を透過し、干渉計の偏光ビームスプリッタ３で２成分の光が分離される。偏光ビームスプリッタ３を透過した光ｆ1は測定反射鏡１で反射して戻る。その際、１／４波長板１３を２回通過し偏光面が９０度回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ３でコーナキューブ１７側へ曲げられて、さらに同一経路を戻って再び測定反射鏡１に当たる。反射して偏光ビームスプリッタ３に戻った光は偏光面がさらに９０度回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ３を透過してレーザ光源ＬＳ側に戻る。戻った光の一部が無偏光ビームスプリッタ１６で分離され、光検出器１０に入射する。
【００２２】
最初に偏光ビームスプリッタ３で９０度曲げられた光ｆ2は、干渉計と測定反射鏡２の間を２往復する。すなわち、３個のビームベンダ４，５，６で反対側の反射鏡２に導かれた光ｆ2は、そこで反射した後、同じ光路を戻り、１／４波長板１４を２回透過するので、戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ３を透過してコーナキューブ１７へ至り、さらに同一経路を戻って再び測定反射鏡２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ＬＳ側に戻る。戻った光の一部が無偏光ビームスプリッタ１６で分離され、光検出器１０に入射する。この場合、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。
【００２３】
図７は、図６に示した差動型シングルビーム２パス干渉計を適用した更なる変形例の回転軸振れ測定を示す。図７及び図６で同一符号で示す部材は同一である。この変形例は、対象物Ｂに代えて円筒回転体ＲＢとして測定反射鏡を円柱の反射面１ａ，２ａに適用したものである。反射面１ａ，２ａはその直径が測定軸上にある互いに背向した回転体の側面部分である。測定軸は回転体の回転軸を通過するように配置される。この干渉計でも、両測定光が干渉計中心付近で共軸になるように構成されている。キャッツアイ構成と同様に反射面がそれぞれ１点とするため、測定光を収束する集光レンズ２１，２２が測定軸上に共軸に回転体ＲＢを挟んで設けられる。この変形例の場合も、図６について説明したもの（反射鏡１，２をそれぞれ反射面１ａ，２ａと読み替える）と同一光路及び分解能で回転体の回転軸振れの変位が測定できる。
【００２４】
かかるレーザ測長器により測定される回転体の回転軸振れの変位の内、回転に同期しない成分（非繰り返し成分）を取り出せば、ＮＲＲＯ(Non Repeatable Run Out)となる。ＮＲＲＯはスピンドルの回転精度のうち重要なものの１つで、光ディスクや磁気ディスクの記録位置精度を劣化させる要因となる。従来、スピンドルのＮＲＲＯを４パス干渉計と同等の分解能で測定することは困難であったが、かかる差動型シングルビーム２パス干渉計を適用した方法を使えば可能となる。
【００２５】
さらに、図８は図７に示した差動型シングルビーム２パス干渉計を直交するＸＹの２測定軸の回転軸振れ測定に応用した場合の構成を示す。この変形例の場合も、ＸＹ軸それぞれにおいて、回転体の回転軸振れの変位が、図６について説明したもの（反射鏡１，２をそれぞれ反射面１ａ，２ａ並び１ｂ，２ｂと読み替える）と同一光路及び分解能で、回転体ＲＢの共軸に存在する反射面１ａ，２ａ並び１ｂ，２ｂからの反射光によって測定できる。これにより、従来の４パス干渉計と同等の分解能でＮＲＲＯの２次元測定が可能となる。図８に示すＸ軸方向の回転軸振れの変位は、無偏光ビームスプリッタ１６、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板１３，１４、ビームベンダ４，５，６、集光レンズ２１，２２、光検出器１０で構成される光路で測定され、Ｙ軸方向の回転軸振れの変位は、無偏光ビームスプリッタ１６ａ、中継ビームベンダ２６、偏光ビームスプリッタ３ａ、１／４波長板１３ａ，１４ａ、ビームベンダ４ａ，５ａ，６ａ、集光レンズ２１ａ，２２ａ、光検出器１０ａで構成される光路で測定される。レーザ光源ＬＳからＸＹ軸用に光ビームを分割する無偏光ビームスプリッタ２５によって、各軸の光路へ光ビームが供給される。
【００２６】
また、図９は、図４に示したシングルビーム干渉計を変形したシングルビーム１パス干渉計の差動測定の構成を示す。図９及び図４で同一符号で示す部材は同一である。この変形例は、対象物Ｂに代えて円筒回転体ＲＢとして測定反射鏡を円柱の反射面１ａ，２ａに適用したものである。反射面１ａ，２ａはその直径が測定軸上にある互いに背向した回転体の側面部分である。測定軸は回転体の回転軸を通過するように配置される。この干渉計でも、両測定光が干渉計中心付近で共軸になるように構成されている。反射面がそれぞれ１点とするため、測定光を収束する集光レンズ２１，２２が測定軸上に共軸に回転体ＲＢを挟んで設けられる。この変形例の場合も、図４について説明したもの（反射鏡１，２をそれぞれ反射面１ａ，２ａと読み替える）と同一光路及び分解能で回転体の回転軸振れの変位が測定できる。
【００２７】
図１０は、更なる１パス構成の回転軸振れ測定応用例であり、図９に示した回転振れ測定を直交するＸＹの２軸測定に応用した場合の構成を示す。この変形例の場合も、ＸＹ軸それぞれにおいて、回転体の回転軸振れの変位が、図４について説明したもの（反射鏡１，２をそれぞれ反射面１ａ，２ａ並び１ｂ，２ｂと読み替える）と同一光路及び分解能で、回転体ＲＢの共軸に存在する反射面１ａ，２ａ並び１ｂ，２ｂからの反射光によって測定できる。図１０に示すＸ軸方向の回転軸振れの変位は、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板１３，１４、ビームベンダ４，５，６、集光レンズ２１，２２、光検出器１０で構成される光路で測定され、Ｙ軸方向の回転軸振れの変位は、中継ビームベンダ２６，２７、偏光ビームスプリッタ３ａ、１／４波長板１３ａ，１４ａ、ビームベンダ４ａ，５ａ，６ａ、集光レンズ２１ａ，２２ａ、光検出器１０ａで構成される光路で測定される。レーザ光源ＬＳからＸＹ軸用に光ビームを分割する無偏光ビームスプリッタ２５によって、各軸の光路へ光ビームが供給される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明においては、対象物の測定軸上に互いに背向するよう２つの反射鏡又は面を配置し、測定軸に対して測定光を対向して当てることによって、互いに逆相の変位を差動測定するので、干渉計の種類に関係なく適用することができる。また、スペースの制限により小さな測定反射面を測定する場合や、測定反射面が円筒面や球面などの平面鏡でない場合に使用するシングルビーム干渉計にも適用できるため、これらの用途においても、最高でリニア干渉計の４倍の分解能で測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図２】従来のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図３】本発明による実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図４】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図５】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図６】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図７】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図８】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図９】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図１０】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【符号の説明】
１，２  反射鏡
１ａ，２ａ，１ｂ，２ｂ  反射面
３，３ａ  偏光ビームスプリッタ
４，５，６，４ａ，５ａ，６ａ  ビームベンダ
１３，１４，１３ａ，１４ａ  １／４波長板
１０，１０ａ  光検出器
１６ａ，２５  無偏光ビームスプリッタ
２１，２２，２１ａ，２２ａ  集光レンズ
２６，２７  中継ビームベンダ
ＬＳ  レーザ光源
【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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