(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、
光源から出射されたレーザービームを第１のビームと第２のビームに分割するとともに、参照ミラーから反射されて戻る第１のビームと前記被測定物から反射されて戻る第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、
この干渉計から出射される第２のビームを前記被測定物の曲面方向にのみ集光して前記被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして前記干渉計に戻すシリンドリカルレンズ光学系と、
前記干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とするレーザー測長器。
【請求項２】
円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、
光源から出射されたレーザービームを２本の第１のビームと２本の第２のビームに４分割するとともに、参照ミラーから反射されて戻る第１のビームと前記被測定物から反射されて戻る第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、
この干渉計から平行に出射される２本の第２のビームを１本に合成するとともに、前記被測定物からの反射光を２本の第２ビームに再分割して前記干渉計に戻す合成分割手段と、
この合成分割手段で合成された第２ビームを前記被測定物の曲面方向にのみ集光して前記被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして前記合成分割手段に戻すシリンドリカルレンズ光学系と、
前記干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とするレーザー測長器。
【請求項３】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を縮小するビーム径縮小手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー測長器。
【請求項４】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を拡大するビーム径拡大手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー測長器。
【請求項５】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を拡大するビーム径拡大手段を前記干渉計と前記シリンドリカルレンズ光学系の間に備えることを特徴とする請求項１記載のレーザー測長器。
【請求項６】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を拡大するビーム径拡大手段を前記合成分割手段と前記シリンドリカルレンズ光学系の間に備えることを特徴とする請求項２記載のレーザー測長器。
【請求項７】
前記ビーム径縮小手段が、２組の凸レンズ系を対向させたアフォーカル光学系で構成され、かつ凸レンズ系の共焦点位置に所定開口のアパーチャを有することを特徴とする請求項３記載のレーザー測長器。
【請求項８】
前記ビーム径拡大手段が、２組の凸レンズ系を対向させたアフォーカル光学系で構成され、かつ凸レンズ系の共焦点位置に所定開口のアパーチャを有することを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載のレーザー測長器。
【請求項９】
前記ビーム径縮小手段が、ビーム径を縮小する変換倍率を連続的に変更可能に構成されていることを特徴とする請求項３記載のレーザー測長器。
【請求項１０】
前記ビーム径拡大手段が、ビーム径を拡大する変換倍率を連続的に変更可能に構成されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載のレーザー測長器。
【請求項１１】
前記シリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー測長器。
【請求項１２】
前記ビーム径縮小手段及び前記シリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする請求項３記載のレーザー測長器。
【請求項１３】
前記ビーム径拡大手段及び前記シリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載のレーザー測長器。
【請求項１４】
円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、
光源から出射されたレーザービームを２本の第１のビームと２本の第２のビームに４分割するとともに、参照ミラーから反射されて戻る第１のビームと前記被測定物から反射されて戻る第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、
この干渉計から平行に出射される２本の第２のビームをそれぞれの中心を結ぶ直線と直交する方向である前記被測定物の曲面方向に集光して前記被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして前記干渉計に戻すシリンドリカルレンズ光学系と、
前記干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えたことを特徴とするレーザー測長器。
【請求項１５】
前記干渉計及び前記シリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする請求項１４記載のレーザー測長器。
【請求項１６】
円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、
光源から出射されたレーザービームを第１のビームと第２のビームに分割するとともに、前記被測定物から反射されて戻る第１のビームと第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、
この干渉計から出射される第１及び第２のビームをそれぞれ前記被測定物の曲面方向にのみ集光して前記被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして前記干渉計に戻す第１及び第２のシリンドリカルレンズ光学系と、
前記被測定物に照射される第１ビームと第２ビームが共通軸を持って向かい合う方向となるように導光する手段と、
前記干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とするレーザー測長器。
【請求項１７】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を縮小するビーム径縮小手段を備えることを特徴とする請求項１６記載のレーザー測長器。
【請求項１８】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を拡大するビーム径拡大手段を備えることを特徴とする請求項１６記載のレーザー測長器。
【請求項１９】
少なくとも前記干渉計以下測長回路を含むレーザー測長系を前記被測定物に対し直交する２方向に備えることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１項に記載のレーザー測長器。
【請求項２０】
円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、
光源から出射されたレーザービームを第１のビームと第２のビームに分割するとともに、前記被測定物から反射されて戻る第１のビームと第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、
この干渉計から出射される第１及び第２のビームをそれぞれ前記被測定物の曲面方向にのみ集光して前記被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして前記干渉計に戻す第１及び第２のシリンドリカルレンズ光学系と、
前記被測定物に照射される第１ビームと第２ビームが共通軸を持って逆方向となるように導光する手段と、
前記干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とするレーザー測長器。
【請求項２１】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を縮小するビーム径縮小手段を備えることを特徴とする請求項２０記載のレーザー測長器。
【請求項２２】
少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を拡大するビーム径拡大手段を備えることを特徴とする請求項２０記載のレーザー測長器。
【請求項２３】
少なくとも前記干渉計以下測長回路を含むレーザー測長系を前記被測定物に対し直交する２方向に備えることを特徴とする請求項２０ないし２２のいずれか１項に記載のレーザー測長器。
【請求項２４】
シリンドリカルレンズ光学系により測定ビームを被測定物であるターンテーブルの曲面方向に集光してターンテーブルの外周側面に回転軸方向に細長くスリット状に照射し、ターンテーブルの基準点からの移動量を測定する請求項１ないし１９のいずれか１項に記載のレーザー測長器を備えたことを特徴とするターンテーブルを有する加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測長技術及び計測技術に係り、特にレーザーを用いた例えばターンテーブル等に代表される円筒側面のような移動曲面の変位計測技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー測長器を利用した移動物体の変位測定では、被測定物体に平面ミラーやコーナーキューブを設置して反射鏡として利用することが多い。通常、レーザー測長器の光源は、Ｈｅ-Ｎｅレーザー等可視域レーザーで、かつ直径数ミリ程度の円形平行光ビームが出射される。そのため、対象物体が微小な場合や曲面の場合は、物体の所望の位置に照射でき、また照射ビームの反射光が返ってくるように、レーザー測長器の測定用ビームを対物レンズで集光し、小さく絞って物体表面に当てるのが通例である。
【０００３】
図１９に、マイケルソン干渉計を利用したレーザー測長器における典型例を示す。１はレーザーヘッド、２はビームスプリッタ、３は参照ミラー、４は対物レンズ、５は被測定物体（曲面）、６は光検出器、７は測長回路である。参照ミラーとビームスプリッタとの間隔は一定に固定されており、これらは一体化されることが多い。
【０００４】
レーザーヘッド１から出射されたレーザービームは、ビームスプリッタ２により測定ビームと参照ビームに２分割される。参照ビームは、参照ミラー３で反射してビームスプリッタ２に戻る。測定ビームは、レンズ４で収束されて被測定物体に導かれ表面に集光するとともに、反射ビームとして、逆に進んでレンズ４を経て再び平行光に変換されてビームスプリッタに戻り、参照ミラーから反射された参照ビームと干渉して、干渉光として光検出器６へ出射される。この意味でビームスプリッタ２（及び一体化された参照ミラー３）は干渉計と呼ばれる。さらに、参照ビームと測定ビームおよび反射ビームの分離性を良くするため、直線偏光のレーザーヘッドを使い、ビームスプリッタを偏光ビームスプリッタとし、偏光ビームスプリッタの対物レンズ側に１/4波長板を備える場合（1/4波長板も干渉計に一体化されることが多い。）もある。また、参照ミラーを２個対向させ、測定ビームが被測定物まで２往復する２パス干渉計を構成する場合もあり、その場合は分解能が２倍に向上する。光検出器６は干渉光の強度を検出し、測長回路７は光検出器の検出出力に基づいて、基準点から被測定物体の移動量あるいは移動速度を測定する。
【０００５】
２パス干渉計で、特に参照ミラーを平面鏡でなく９０°ミラーやコーナーキューブにすると、被測定物体への測定ビームは、光軸が異なる離れた２本の平行ビームになる（測定ビームが２本あるという意味で２ビーム干渉計と呼ばれることもある。これに対し、図１９では測定ビームが１本なのでシングルビーム干渉計と呼ばれる）。
【０００６】
２ビーム干渉計の一例を図２０に示す。図２０（ａ）において、１はレーザーヘッド、２はビームスプリッタ、８は参照ミラー、５は対象物体、６は光検出器、７は測長回路であり、図１９と比較して、参照ミラー８がひとつの平面鏡から２つの９０°ミラーあるいはコーナーキューブに変更されたものである。被測定物体５への測定ビームは、図２０（ｂ）に示すような間隔ｄだけ離れたＰ１とＰ２の物理的に異なる２本の平行ビームとなる。図１９に示すような単純なマイケルソン干渉計と同様に、この場合も参照ビームと測定ビームおよび反射ビームの分離性を良くするため、直線偏光のレーザーヘッドを使い、ビームスプリッタを偏光ビームスプリッタとし、偏光ビームスプリッタの対物レンズ側に１/4波長板を備える場合（1/4波長板が干渉計に一体化される場合が多いことも同様である。）がある。このような２ビーム干渉計を、微小な対象物体や曲面の対象物体に適用する場合は、各測定ビームにおのおの対物レンズを用意して集光し、小さく絞って物体表面に当てるのが通例である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、レーザー測長器を用い、測定ビームを対物レンズで絞って移動曲面の変位測定を行うことは公知の技術である。絞った測定ビームのスポットサイズは、被測定面の曲率半径との関係もあるが、おおよそ数〜数十ミクロン程度である。このようなスポットサイズに対し、物体曲面がミラーなど十分に研磨された平滑面（例えばλ／１０程度；λはレーザー波長で０.５〜１ミクロン程度）であれば、光検出器に戻る反射ビームの測長品質は問題ないが、物体曲面が例えば金属切削面などで構成される場合は、図２１（ａ）に示すように、測定ビームＰのスポットサイズに対して切削痕Ｑが無視できない大きさになり、また切削痕Ｑの深さもレーザー波長と同程度以上となるため、測定ビームＰが切削痕Ｑのどこに当たっているかによって、あるいは切削痕Ｑとの重なりに応じて測長データが変動するようになる。
【０００８】
例えば、図２１（ｂ）のように円筒を回転中の側面の移動量測定を考える。円筒物体を金属切削して製作する場合、概ね図のY方向（円筒の断面円を含む平面）近傍に切削痕Ｑが残るが、完全平行でなく、蛇行したり部分的に消えたりする。また、円筒物体の回転にも振れがあるので、結局測定ビームＰを固定しても、回転中に測定ビームＰはある程度切削痕Ｑの横断を繰り返すことになる。そのため、円筒側面の切削痕横断によって測長データが変動し、円筒側面の変位測定精度が低下してしまう。一例を挙げると、アルミ切削して製作した直径１２０ミリの円筒を１２００ｒｐｍで回転させながらヘテロダインレーザー干渉測長器により変位測定した（約1０ミクロンのビームスポットに絞り込んだ）ところ、想定される円筒の振れ量以外にドリフト成分が発生した。
【０００９】
切削痕に限らず、傷が存在する場合や粗面でも、大きさによっては同様の現象が起こり得る。変位測定中に被測定物体が移動すると、一般的には測定ビームスポットの物体上照射位置も移動するので、測定ビームスポットが切削痕や傷などを横断する。そのため、被測定面のミクロな凹凸の存在で測長データが変動を受け、物体曲面の変位というマクロ的な量を計測しているのにも関わらず、変位測定精度が低下する問題が発生する。被測定物体の曲面を研磨して鏡面化できれば問題点は解決するが、物体形状や大きさ・加工性・費用の点からアルミ等を切削して製作せざるを得ない場合も多い。
【００１０】
レーザー測長器の測定精度向上を図ったものとしては、特開平９−２８０８２７号公報や特開２００１−４３２１号公報等がある。しかしながら、特開平９−２８０８２７号公報は、レーザーヘッド後で測定ビームの径を一旦拡大し、光検出器手前で再び縮小することにより、時間的な空気揺らぎの影響を小さくして測長器精度を向上させるもので、測定時の空気揺らぎに起因するばらつきの改善を目的としており、上記現象は解消できない。
【００１１】
また、特開２００１−４３２１号公報では、移動平均法によるフィルタを利用して計測データの平均化を行う計測データ処理により測定精度を向上させており、測定データのレーザー発振ノイズに起因するばらつきの改善が目的で、上記現象は解消できない。
【００１２】
本発明は、上記現象を解消するためになされたもので、被測定面の微細な凹凸の影響を受けずに、精度良く円筒側面等の曲面の変位測定を行うことができるレーザー測長器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明は、円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、光源から出射されたレーザービームを第１のビームと第２のビームに分割するとともに、参照ミラーから反射されて戻る第１のビームと被測定物から反射されて戻る第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、この干渉計から出射される第２のビームを被測定物の曲面方向にのみ集光して被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして干渉計に戻すシリンドリカルレンズ光学系と、干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明においては、光源から出射されたレーザービームは、干渉計で２分割され、一方は参照ビームとして参照ミラーで反射され、他方は測定ビームとしてシリンドリカルレンズ光学系により被測定物の曲面方向に集光されて被測定物表面にスリット状に照射され、被測定物表面で反射してシリンドリカルレンズ光学系により再び平行ビームに変換されて干渉計に戻り、参照ミラーで反射された参照ビームと干渉して、干渉光として光検出器に出射される。このように測定ビームが被測定物の曲面方向に集光されるため、集光方向を被測定物の曲面方向と一致させることで、測定ビームが非曲面方向（軸方向）に細長くスリット状となり、曲面が切削製作された場合でも、被測定面の切削痕等のミクロな凹凸の影響は平均化され、変位データの精度に影響しないようにすることが可能となる。
【００１５】
請求項２の発明は、円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、光源から出射されたレーザービームを２本の第１のビームと２本の第２のビームに４分割するとともに、参照ミラーから反射されて戻る第１のビームと被測定物から反射されて戻る第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、この干渉計から平行に出射される２本の第２のビームを１本に合成するとともに、被測定物からの反射光を２本の第２ビームに再分割して干渉計に戻す合成分割手段と、この合成分割手段で合成された第２ビームを前記被測定物の曲面方向にのみ集光して被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして合成分割手段に戻すシリンドリカルレンズ光学系と、干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明においては、干渉計として２本の測定ビームを生成する２ビーム干渉計が用いられ、この干渉計からの２本の測定ビームが合成分割手段によって１本の測定ビームに合成されて、被測定物の曲面方向に収束するシリンドリカルレンズ光学系により被測定物表面にスリット状に照射され、被測定物表面で反射したビームはシリンドリカルレンズ光学系で再び平行ビームに変換され、合成分割手段によって２本のビームに分割されて２ビーム干渉計に戻される。このように２ビーム干渉計を用いることにより、分解能向上が得られ、合成分割手段によって被測定物に照射する測定ビームを一本化することにより、被測定物の曲面方向に合わせてシリンドリカルレンズ光学系をセッティングすることが容易となる。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１、２のレーザー測長器において、少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を縮小するビーム径縮小手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明においては、被測定物の非曲面方向のサイズが測定ビームのビーム径より小さい場合に、少なくとも被集光方向のビーム径がビーム径縮小手段により被測定物の非曲面方向のサイズに合わせて縮小される。これにより、非曲面方向の厚みのない被測定物に対して変位測定が可能となる。なお、ビーム径縮小手段は、非集光方向のビーム径のみならず集光方向のビーム径も縮小するタイプであってもかまわない。光軸に対し等方的なビーム径縮小手段は、方向性がないため、組み付け調整等の取り扱いが容易となる。また、ビーム径縮小手段として、連続的に変換率が変えられるタイプを使用すれば、被測定物のサイズごとにビーム径縮小手段を取り替える手間を省くことが可能となる。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１、２のレーザー測長器において、少なくとも前記シリンドリカルレンズ光学系の集光方向と直交する非集光方向におけるビーム径を拡大するビーム径拡大手段を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明においては、被測定物の非曲面方向のサイズが測定ビームのビーム径より大きい場合に、少なくとも非集光方向のビーム径がビーム径拡大手段により被測定物の非曲面方向のサイズに合わせて拡大される。これにより、被測定物の非曲面方向の大きさに対して照射ビームの非集光方向の大きさをなるべく大きく取ることが可能となり、被測定面の切削痕等のミクロな凹凸の影響の平均化作用が大きくなって、測定データの精度を向上させることが可能となる。なお、ビーム径拡大手段は、非集光方向のビーム径のみならず集光方向のビーム径も拡大するタイプであってもかまわない。光軸に対し等方的なビーム径拡手段は、方向性がないため、組み付け調整等の取り扱いが容易となる。また、ビーム径拡大手段として、連続的に変換率が変えられるタイプを使用すれば、被測定物のサイズごとにビーム径拡大手段を取り替える手間を省くことが可能となる。さらに、ビーム径拡大手段は、光源と干渉計の間、干渉計と合成分割手段の間、合成分割手段とシリンドリカルレンズ光学系の間の何れにも設置可能であるが、シリンドリカルレンズ光学系の前段に設置することが好ましい。この場合、ビーム径拡大手段に入射する測定ビーム径と被測定物から反射されて再びビーム径拡大手段を逆に進んで出射する反射ビーム径は同一サイズになり、反射全光束を無駄なく光検出器に取り込むことができ、光量不足を起こすことがない。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項３のレーザー測長器において、ビーム径縮小手段が、２組の凸レンズ系を対向させたアフォーカル光学系で構成され、かつ凸レンズ系の共焦点位置に所定開口のアパーチャを有することを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項４〜６のレーザー測長器において、ビーム径拡大手段が、２組の凸レンズ系を対向させたアフォーカル光学系で構成され、かつ凸レンズ系の共焦点位置に所定開口のアパーチャを有することを特徴とする。
【００２３】
請求項７、８の発明においては、測定ビームのビーム径を縮小または拡大するビーム径変換手段として、凸レンズ２枚によるビームエクスパンダを用いると、共焦点位置には入射および反射ビームのスペクトルが形成されるが、光軸に対して離れた位置に形成される高次スペクトルはノイズ成分であり、光軸近傍に適切な開口を有するアパーチャを透過させることにより、これら光学ノイズ成分をカットでき、測定のＳ／Ｎを向上させることができる。ビーム径を１方向だけに縮小又は拡大する場合は、２組の凸レンズ系とスリット、双方向に縮小又は拡大する場合は、２組の凸レンズ系とピンホールの組合せが考えられる。
【００２４】
請求項１１の発明は、請求項１、２のレーザー測長器において、シリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１２の発明は、請求項３のレーザー測長器において、ビーム径縮小手段及びシリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３の発明は、請求項４〜６のレーザー測長器において、ビーム径拡大手段及びシリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項１１〜１３の発明においては、被測定物に照射する測定ビームを回転させる回転機構を備えることにより、被測定物側で曲面方向を測定ビームの集光方向に一致させるのが難しい場合でも、測定ビーム側で調整が可能となり、測定ビームの集光方向と被測定物の曲面方向との調整誤差を容易に解消することが可能となる。
【００２８】
請求項１４の発明は、円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、光源から出射されたレーザービームを２本の第１のビームと２本の第２のビームに４分割するとともに、参照ミラーから反射されて戻る第１のビームと被測定物から反射されて戻る第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、この干渉計から平行に出射される２本の第２のビームをそれぞれの中心を結ぶ直線と直交する方向に集光して被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして干渉計に戻すシリンドリカルレンズ光学系と、干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えたことを特徴とする。
【００２９】
請求項１４の発明においては、光源から出射されたレーザービームは、２ビーム干渉計で参照ビーム２本と測定ビーム２本に４分割され、２本の測定ビームは平行にシリンドリカルレンズ光学系に入射して、それぞれ互いの中心を結ぶ線と直交する方向に集光されて被測定物表面にスリット状に直列に照射される。このように２本の測定ビームをシリンドリカルレンズの非集光方向に並べて被測定物表面に照射することにより、分解能を向上させたマルチパスのレーザー測長器においても、被測定面のミクロな凹凸の影響を排除した変位測定を行うことが可能となる。なお、この構成では、干渉計及びシリンドリカルレンズ光学系を光軸を中心として回転する回転機構を備えることで、測定ビームの集光方向を被測定物の曲面方向に合わせることが容易となる。
【００３０】
請求項１６の発明は、円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、光源から出射されたレーザービームを第１のビームと第２のビームに分割するとともに、被測定物から反射されて戻る第１のビームと第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、この干渉計から出射される第１及び第２のビームをそれぞれ被測定物の曲面方向にのみ集光して被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして干渉計に戻す第１及び第２のシリンドリカルレンズ光学系と、被測定物に照射される第１ビームと第２ビームが共通軸を持って向かい合う方向となるように導光する手段と、干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項１６の発明においては、請求項１のレーザー測長器における参照ミラーを被測定面に置き換えて、参照ビームを２つ目の測定ビームとして、１つ目の測定ビームと被測定物を挟むようにして反対側から光軸を共通に照射し、それぞれの反射ビームを干渉計で干渉させている。このように、被測定物に対して２本の測定ビームで移動量を測定しているため、干渉計における光学的移動量は２倍になり、分解能は２倍に向上する。また、２本の測定ビームが被測定物を挟み込む形になるので、回転する円筒外側面の変位測定に好適に用いられる。
【００３２】
請求項２０の発明は、円筒でありかつ回転している被測定物の移動量を測定するレーザー測長器において、光源から出射されたレーザービームを第１のビームと第２のビームに分割するとともに、被測定物から反射されて戻る第１のビームと第２のビームを干渉するように合成し干渉光を出射する干渉計と、この干渉計から出射される第１及び第２のビームをそれぞれ被測定物の曲面方向にのみ集光して被測定物表面に照射し、この被測定物表面からの反射光を再び平行ビームにして干渉計に戻す第１及び第２のシリンドリカルレンズ光学系と、被測定物に照射される第１ビームと第２ビームが共通軸を持って逆方向となるように導光する手段と、干渉計から出射される干渉光の強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器の出力に基づき測長を行う測長回路とを備えることを特徴とする。
【００３３】
請求項２０の発明においては、請求項１のレーザー測長器における参照ミラーを被測定面に置き換えて、参照ビームを２つ目の測定ビームとして、１つ目の測定ビームと光軸を共通にして内側から外方向に被測定物表面に照射し、それぞれの反射ビームを干渉計で干渉させている。したがって、このレーザー測長器は回転する円筒内側面の変位測定に好適に用いられる。また、請求項１６のレーザー測長器と同様に、被測定物に対して２本の測定ビームで移動量を測定し、干渉計で干渉させているため、干渉計における光学的移動量は２倍になり、分解能は２倍に向上する。
【００３４】
請求項１９の発明は、請求項１〜１８のレーザー測長器において、少なくとも干渉計以下測長回路を含むレーザー測長系を被測定物に対し直交する２方向に備えることを特徴とする。
また請求項２３の発明は、請求項２０〜２２のレーザー測長器において、少なくとも干渉計以下測長回路を含むレーザー測長系を被測定物に対し直交する２方向に備えることを特徴とする。
【００３５】
請求項１９、２３の発明においては、直交する２方向における動的移動量を同時に測定することが可能となり、ターンテーブル回転等の動的移動量測定への適用が好適である。
【００３６】
上記請求項１〜１９のレーザー測長器は、ターンテーブルを有する光ディスク原盤露光装置やその他精密な測定・制御を必要とするターンテーブルを有するレーザー描画装置、電子線描画装置、精密加工装置、マスク転写装置などの機構または装置に適用して、ターンテーブル外周面等に測定ビームを照射することで、ターンテーブル回転時の動的移動量を測定する際の精度を向上させることができる。また回転時の動的移動量を使ってフィードバック制御を行うことで、これら装置精度の向上が可能になる（請求項２４）。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、全図面において、共通する部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３８】
本発明の第１の実施の形態のレーザー測長器は、図１に示すように、レーザービームを出射するレーザーヘッド１と、レーザービームを測定ビームと参照ビームに分割するビームスプリッタ２と、参照ビームを反射する参照ミラー３と、測定ビームを１方向のみに収束させ、被測定物体５の表面にスリット状に集光するとともに、被測定物体５で反射された反射ビームを平行光にしてビームスプリッタ２に戻す対物レンズ４ａと、被測定物体５からの反射ビームを参照ミラー３で反射された参照ビームと干渉させるビームスプリッタ２（干渉計）からの干渉光の強度を検出する光検出器６と、光検出器の出力に基づいて、基準点からの被測定物体５の移動量あるいは移動速度を測定する測長回路７とで構成されている。すなわち、本実施の形態のレーザー測長器は、図１９に示す従来技術と比較して、対物レンズ４ａの作用のみが異なっている。
【００３９】
上記構成において、レーザーヘッド１から出射されたレーザービームは、ビームスプリッタ２により測定ビームと参照ビームに分割される。参照ビームは、参照ミラー３で反射してビームスプリッタ２に戻る。測定ビームは、レンズ４ａにより、図１（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、Ｙ方向のみに収束されて被測定物体５に導かれ、図１（ｃ）に示すように、被測定物体５表面にスリット状に集光する。被測定物体５表面で反射した測定ビームは、反射ビームとして逆に進んでレンズ４ａを経て再び平行光に変換されてビームスプリッタ２に戻り、参照ミラーから反射された参照ビームと干渉して、干渉光として光検出器６へ出射される。
【００４０】
上述したように、本実施の形態においては、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、被測定物体表面にスリット状に集光されるよう照射している。また、ビーム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、図１（ｃ）に示すように、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、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。１方向へ収束作用を有する対物レンズ光学系としては、シリンドリカルレンズ光学系が挙げられる。
【００４１】
上記の説明からも明らかなように、第１の実施の形態によれば、曲面が切削製作された被測定物体であっても、切削痕等のミクロな凹凸による測定データの変動のない精度の高い変位測定を行うことができる。
【００４２】
本発明の第２の実施の形態のレーザー測長器は、図２に示すように、図１に示す第１の実施の形態と比較して、測定ビームの集光方向に直交する非集光方向において対物レンズ４ａに入射するビーム径を縮小するビーム径縮小手段１０が追加されている。
【００４３】
図２（ａ）に示すように、光源であるレーザーヘッド１からの出射ビーム径Ｄは固定サイズ（一般的には直径数ミリ程度の円）であり、被測定物体５の非曲面方向（Ｘ方向）の大きさｈがこれより小さい場合（Ｄ＞ｈ）、そのままでは測定することができない。そのため、出射ビーム径Ｄを被測定物体５のＸ方向の大きさｈに応じて縮小し、照射する。またその際、測定ビームのＸ方向のビーム径を被測定物体のＸ方向の大きさｈに対してなるべく大きく取るようにすると、被測定面のミクロな凹凸の平均化作用が大きくなって好ましい。
【００４４】
ビーム径縮小手段１０は、レーザーヘッド１（光源）とビームスプリッタ２（干渉計）の間、ビームスプリッタ２と対物レンズ４ａの間のいずれにも設置可能である。また具体的な形態としては、単純なアパーチャ、又は対物レンズ４ａと集光方向が直交するシリンドリカルレンズペアによるビームエクスパンダやアナモルフィックプリズムペアなどが挙げられるが、光量ロスを発生させない点と光軸シフトを起こさない点でビームエクスパンダが望ましい。
【００４５】
なお、図２では、ビーム径縮小手段１０は測定ビームの非集光方向のみビーム径を縮小するものであるが、測定ビームの集光方向のビーム径も縮小するものであってももちろんかまわない。この場合、集光方向の対物レンズ入射ビーム径も変わるが、対物レンズパワーの調整で吸収できるので問題ない。ビーム径縮小手段は、基本的に２光学素子から構成されるが、１方向だけ縮小作用を有するものは構成素子自体に方向性があり、２素子間で正確に方向合わせを行って組付け調整を行うのは手間である。その点、光軸に対し等方的なビーム径縮小手段には方向性がなく、容易に組付け調整等の取り扱いが行える。具体的な形態としては、球面凹レンズ系と球面凸レンズ系で構成されるビームエクスパンダや、２組の球面凸レンズ系から構成されるビームエクスパンダなどが挙げられる。最も簡単な構成では２枚の単レンズを共焦点位置に配置させたアフォーカルレンズペアで実現することができる。図３（ａ）に凸レンズと凹レンズによるビームクスパンダを、同図（ｂ）に凸レンズ２枚によるビームエクスパンダを示す。
【００４６】
また、ビーム径縮小手段１０は、２組の凸レンズ系を向かい合わせ共焦点位置に配置し、共焦点位置に適当な大きさのアパーチャを設けた構成とすることもできる。共焦点位置には入射および反射ビームのスペクトルが形成されるが、光軸に対して離れた位置に形成される高次スペクトルはノイズ成分であり、光軸近傍に適切な開口を有するアパーチャを透過させることにより、これら光学ノイズ成分をカットすることができ、測定のＳ／Ｎを向上させることができる。具体的な形態としては、ビーム径を１方向だけに変換する場合は、図３（ｃ）に示すように２組の凸シリンダーレンズ系とスリット、２方向に変換する場合は、図３（ｄ）に示すように２組の凸レンズ系とピンホールなどにより実現する。
【００４７】
上記の説明からも明らかなように、第２の実施の形態によれば、被測定物体の非曲面方向（Ｘ方向）のサイズが光源の出射ビーム径よりも小さい場合でも、ビーム径縮小手段１０により測定ビーム径を縮小することにより、被測定物体曲面の変位測定を切削痕等のミクロな凹凸の影響を受けることなく精度良く行うことができる。
【００４８】
本発明の第３の実施の形態のレーザー測長器は、図４に示すように、図１に示す第１の実施の形態と比較して、測定ビームの集光方向に直交する非集光方向において対物レンズ４ａに入射するビーム径を拡大するビーム径拡大手段１１が追加されている。
【００４９】
図４（ａ）に示すように、レーザーヘッド１からの出射ビーム径Ｄは固定サイズ（直径数ミリ程度の円）だが、出射ビーム径を被測定物体５の非曲面方向の大きさｈに合わせて拡大して照射し、測定ビームのＸ方向のビーム径を被測定物体５のＸ方向の大きさｈに対してなるべく大きく取るようにする。こうすることで、被測定面のミクロな凹凸の平均化作用が大きくなって望ましい。ビーム径拡大手段１１は、レーザーヘッド１とビームスプリッタ２の間、ビームスプリッタ２と対物レンズ４ａの間のいずれにも設置可能である。また具体的な形態としては、対物レンズと集光方向が直交するシリンドリカルレンズペアによるビームエクスパンダやアナモルフィックプリズムペアなどが挙げられるが、光量ロスを発生させない点と光軸シフトを起こさない点でビームエクスパンダが望ましい。
【００５０】
ただし、ビーム径拡大手段１１を、図４に実線で示すように、ビームスプリッタ２と対物レンズ４ａの中間に設けると、ビーム径拡大手段１１に入射する測定ビーム径と被測定物体５から反射されて再びビーム径拡大手段１１を逆に進んで出射する反射ビーム径は同一サイズになり、反射全光束を無駄なく光検出器６に取り込むことができ、光量不足を起こすことがない。このための具体的な形態としては、対物レンズと集光方向が直交するシリンドリカルレンズペアによるビームエクスパンダが望ましい。光量不足は測定不能やＳ／Ｎの低下を招くので、これを排除できて好都合である。一般に光検出器６に入射するビーム径は、光源の出射ビーム径Ｄと一致することを前提に設計されているから、これより大きなビーム径が入射すると受光量低下が発生する。そのため、図４に破線で示すように、ビーム径拡大手段１１がレーザーヘッド１とビームスプリッタ２の間に配置された場合は、光検出器６手前にも逆の作用を施すビーム径縮小手段が必要となり、構成要素が増えてしまう。
【００５１】
また、図４では、ビーム径拡大手段１１は測定ビームの非集光方向のみビーム径を拡大するものであるが、ビーム径縮小手段１０の場合と同様に、測定ビームの集光方向のビーム径も拡大するものであってももちろんかまわない。光軸に対し等方的なビーム径拡大手段には方向性がないため、容易に組付け調整等の取り扱いを行うことができるという利点がある。具体的な形態としては、球面凹レンズ系と球面凸レンズ系で構成されるビームエクスパンダーや、２組の球面凸レンズ系から構成されるビームエクスパンダーなどが挙げられる。最も簡単な構成では２枚の単レンズを共焦点位置に配置させたアフォーカルレンズペアで実現することができる。図３（ａ）に凸レンズと凹レンズによるビームクスパンダを、同図（ｂ）に凸レンズ２枚によるビームエクスパンダを示す。さらに、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、向かい合わせた２枚の凸レンズの共焦点位置に適当な大きさのアパーチャを設けることで光学ノイズ成分をカットすることができる。なお、図３において、入射方向を矢印と反対にすることによってビームを拡大することができる。
【００５２】
上記の説明からも明らかなように、第３の実施の形態によれば、測定ビームの非集光方向のビーム径を被測定物体の大きさに合わせて拡大することができるため、被測定面のミクロな凹凸をより平均化することができ、被測定物体曲面の切削痕等のミクロな凹凸の影響を最小に抑えた高精度な変位測定を行うことができる。
【００５３】
なお、第２の実施の形態のビーム径縮小手段１０及び第３の実施の形態のビーム径拡大手段１１は、変換倍率を連続的に変更できるタイプのものとすることもできる。これにより、種々の大きさの被測定物体に対し、ビーム径縮小手段やビーム径拡大手段の変換手段を交換することなく、ひとつの手段により対応できて使い勝手がよい。具体的な形態としては、拡大比を連続的に変更できるズームビームエクスパンダーが挙げられる。理論的にはあらゆる倍率比を取りうるが、現実的には数倍程度までが対応可能である。
【００５４】
本発明の第４の実施の形態のレーザー測長器は、図５に示すように、図１に示す第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ２と参照ミラー３からなるシングルビーム干渉計を有するシステムに対して、ビームスプリッタ２と参照ミラー８からなる２ビーム干渉計を有するシステムとなっている。すなわち、図２０に示すような２ビーム干渉計を有するシステムにおいて、測定ビームを１方向のみに収束させる対物レンズ４ａが適用されている。
【００５５】
本実施の形態においては、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、２ビーム干渉計の２本の測定ビームＰ１、Ｐ２をともに対物レンズ４ａによって１方向のみに収束させ、図５（ｃ）に示すように、被測定物体５表面に一直線上の複数スリット状に集光されるよう照射する。図５（ｃ）中の２本の測定ビーＰ１、Ｐ２中心を結ぶ直線（図５（ａ）のＸ方向）と対物レンズ光学系の集光方向（図５（ｂ）のＹ方向）は直交させる必要がある。この構成においても、照射ビームは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光検出器６まで戻るので曲面の変位測定が行える一方、照射ビームは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変位データ精度に関与しないようにできる。
【００５６】
上記の説明からも明らかなように、第４の実施の形態によれば、分解能を向上させたマルチパスのレーザー測長器においても、回転中の円筒側面のような１方向に曲面を有する物体の移動量測定を、側面のミクロな凹凸の影響なく行うことができる。
【００５７】
本発明の第５の実施の形態のレーザー測長器は、図６に示すように、図５に示す第４の実施の形態と比較して、ミラー２０とビームスプリッタ２１からなる合成分割手段が追加されており、この合成分割手段により、干渉計からの２本の測定ビームを合成して被測定物体５に照射し、被測定物体５からの反射光を再び２本のビームに分割させて干渉計に戻す構成となっている。
【００５８】
なお、この構成において、２本の測定ビームの分離性を良くするため、直線偏光のレーザーヘッド１を使い、ビームスプリッタ２を偏光ビームスプリッタとし、偏光ビームスプリッタの対物レンズ側に１/4波長板を備えた上で、ビームスプリッタ２１も偏光ビームスプリッタにするのが望ましい。
【００５９】
上記構成においては、図６（ｃ）に示すように、被測定物体５に照射されるビームは取り扱い上一本になるので、２パス干渉計による分解能向上が得られると同時に、測定ビームに対し対物レンズ光学系の集光方向を自在に設定することができる。図６では測定ビームはＹ方向に収束させているが、Ｘ方向に収束させ、そちらに被測定物体５の曲面方向を合わせても支障ない。このため、光学系セッティング時における取り扱いが非常に行いやすくなる。
【００６０】
上記の説明からも明らかなように、第５の実施の形態によれば、分解能を向上させたマルチパスのレーザー測長器においても、操作性良く、かつ被測定面のミクロな凹凸の影響を受けずに精度良く、円筒面のような１方向に曲率を有する曲面の変位測定を行うことができる。
【００６１】
なお、第５の実施の形態は、図２に示す第２の実施の形態又は図３に示す第３の実施の形態ように、ビーム径縮小手段１０又はビーム径拡大手段１１を設けて、被測定物体５のＸ方向の大きさに合わせて、測定ビームの非集光方向のビーム径を縮小又は拡大するように構成することもできる。これにより、第２の実施の形態又は第３の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
第５の実施の形態において、ビーム径縮小手段又はビーム径拡大手段を付加する場合は、光源と干渉計の間、干渉計と合成分割手段の間、合成分割手段と対物レンズの間のいずれにも設置可能であるが、ビーム径拡大手段は合成分割手段と対物レンズの間に設置することで、拡大手段に入射する測定ビーム径と被測定物から反射されて再び拡大手段を逆に進んで出射する反射ビーム径は同一サイズになり、出射全光束を無駄なく光検出器６に取り込むことができ、光量不足を起こすことがない。このための具体的な形態としては、対物レンズと集光方向が直交するシリンドリカルレンズペアによるビームエクスパンダが望ましい。光量不足は測定不能やＳ／Ｎの低下を招くのでこれを排除できて好都合である。一般に光検出器に入射するビーム径は光源の出射ビーム径と一致することを前提に設計されているから、これより大きなビーム径が入射すると受光量低下が発生する。そのため、ビーム径拡大手段が光源と干渉計の間に配置された場合は、光検出器手前にも逆の作用を施すビーム径縮小手段が必要となり、構成要素が増えてしまう。
【００６３】
本発明の第６の実施の形態のレーザー測長器は、図１に示す第１の実施の形態、又は図６に示す第５の実施の形態に対して、図７（ａ）に示すように、測定ビーム光軸Ｚを中心とする対物レンズ４ａの回転機構が付加され、図７（ｂ）に示すように、被測定物体５表面に照射される測定ビームの集光方向の調整が可能に構成されている。
【００６４】
通常、ビーム集光方向と被測定物体の曲面方向が一致するように目視でレーザー測長器セットアップを行うが、実際にはある程度の調整誤差が発生する。ビーム集光方向と被測定物体の曲面方向の調整誤差は、変位データ精度に影響を及ぼすので、できる限り調整誤差を排除するのが望ましい。被測定物体自身の姿勢調整が常時可能とは限らないので、測定ビーム側の集光方向の調整により、誤差をキャンセルできるようにする。
【００６５】
上記の説明からも明らかなように、第６の実施の形態によれば、測定ビーム側の集光方向を調整可能にすることにより、ビーム集光方向と被測定物体の曲面方向の調整誤差を容易に解消することができ、被測定物体曲面の変位測定の精度を向上させることができる。
【００６６】
本発明の第７の実施の形態のレーザー測長器は、図５に示す第４の実施の形態に対して、被測定物体表面に照射される測定ビームの集光方向を調整できるように、干渉計と対物レンズ４ａの双方を回転する回転機構が付加されている。この場合も、第６の実施の形態と同様に、測定ビーム集光方向と被測定物体曲面方向のずれを容易に調整することができ、被測定物体曲面の変位測定の精度を向上させることができる。
【００６７】
本発明の第８の実施の形態のレーザー測長器は、図２に示す第２の実施の形態や図４に示す第３の実施の形態のように、ビーム径縮小手段又はビーム径拡大手段のビーム径変換手段を有するシステムにおいて、特に対物レンズ４ａの手前で測定ビームの非集光方向にのみビーム径を変換するビーム径変換手段を有するシステムに対して、ビーム径変換手段と対物レンズ４ａの双方を回転する回転機構が付加されている。この場合も、第６の実施の形態と同様に、測定ビーム集光方向と被測定物体曲面方向のずれを容易に調整することができ、被測定物体曲面の変位測定の精度を向上させることができる。
【００６８】
本発明の第９の実施の形態のレーザー測長器は、図８に示すように、図３に示す第１の実施の形態と比較して、干渉計の参照ミラー３を被測定物体５表面に置換えて、参照ビームを測定ビームとして被測定物体５の反対側表面に照射するための３つのミラー２０と対物レンズ４ａが追加されている。すなわち、干渉計（ビームスプリッタ２）で分割された同等な２本の測定ビームが、被測定物体５を挟んでビーム光軸Ｚを共通に対向する方向に照射されるように、一方の測定ビームを対向位置に導くためのミラー２０と２組の対物レンズ４ａが配置されている。
【００６９】
この構成においては、被測定物体５に対して２本の測定ビームで移動量を測定することになり、被測定物体５の移動量に対して干渉計上の光学的移動量は２倍になるため、分解能は２倍に向上する。２組の測定ビームで被測定物体５を挟み込む形になるので、回転する円筒外側面の変位測定などに好適である。被測定物体５の形状により図示しないミラーが存在しても差し支えなく、対物レンズはこれらミラーの間に存在しても差し支えない。また、干渉計として図５あるいは図６に示す２パス干渉計に適用することも可能である。また図示しないが、図２及び図４で説明したビーム径の縮小・拡大光学系の適用も可能である。
【００７０】
上記の説明からも明らかなように、第９の実施の形態によれば、切削痕等のミクロな凹凸を有する曲面物体の外周の変位測定に好適で、かつ分解能が２倍のレーザー測長器を実現することができる。
【００７１】
本発明の第１０の実施の形態のレーザー測長器は、図９に示すように、第９の実施の形態と比較して、２組の対物レンズ４ａに入射する測定ビームをそれぞれ逆方向に変換するための１対のミラー２０が２組追加されている。すなわち、干渉計（ビームスプリッタ２）で分割された同等な２本の測定ビームが、被測定物体５の内側からビーム光軸Ｚを共通に反対方向に照射されるように、それぞれの測定ビームの進行方向を反転するための４つのミラー２０が配置されている。
【００７２】
この構成においても、第９の実施の形態と同様に、被測定物体５に対して２本の測定ビームで移動量を測定することになり、被測定物体５の移動量に対して干渉計上の光学的移動量は２倍になるため、分解能は２倍に向上する。ただし、この場合は、第９の実施の形態と異なって、２組の測定ビームが内側から逆を向いて照射されるので、回転する円筒内側面の変位測定などに好適である。被測定物体５の形状により図示しないミラーが存在しても差し支えなく、対物レンズはこれらミラーの間に存在しても差し支えない。また、干渉計として図５あるいは図６に示す２パス干渉計に適用することも可能である。また図示しないが、図２及び図４で説明したビーム径の縮小・拡大光学系の適用も可能である。
【００７３】
上記の説明からも明らかなように、第１０の実施の形態によれば、切削痕等のミクロな凹凸を有する曲面物体の内周の変位測定に好適で、かつ分解能が２倍のレーザー測長器を実現することができる。
【００７４】
本発明の第１１の実施の形態のレーザー測長器は、図１０に示すように、図１に示す第１の実施の形態と比較して、レーザーヘッド１からの出射ビームを２分割するビームスプリッタ２３と、ビームスプリッタ２３で分割された一方の出射ビームの進行方向を他方の出射ビームに対して直角に入射するよう変換する２つのミラー２０と、それぞれの出射ビームに対する干渉計以下の測定系が２組配置されている。測定ビームによる被測定物体５の移動量測定が４５度の角度をなす２箇所で同時に行われるよう構成されている。
【００７５】
この構成においては、直交する２方向における動的移動量を同時に測定することができるようになる。測定した移動量を用いて補正を行うフィードバック制御を行うためには、２方向での移動量が同時に測定できるようになって望ましい。特にターンテーブル回転等の動的移動量測定への適用が好適である。干渉計としては図１、２、４に示す干渉計のほか、図５、６に示す２パス干渉計、図８、９に示す２測定ビーム干渉計に適用することも可能である。さらに図２、４のビーム径の縮小・拡大光学系の適用も可能である。
【００７６】
上記の説明からも明らかなように、第１１の実施の形態によれば、切削痕等のミクロな凹凸を有する曲面物体の高精度な変位測定を直交する２方向で同時に行うことができ、測定値をフィードバック制御等に利用することができる。
【００７７】
本発明の第１２の実施の形態の光ディスク原盤露光装置は、図１１に示すように、レーザーあるいは電子銃等の露光光源５１とこれらの露光光学系５２と、モーターＭにより回転するターンテーブル５３と、ターンテーブル５３（もしくは露光光学系の一部）を１方向に動かす横送り機構５４と、横送り機構５４の送り量の制御手段５５と、以上全体の制御系（図示せず）と、ターンテーブルの移動量を測定する本発明のレーザー測長器（１〜７）とから構成されている。
【００７８】
この構成においては、ターンテーブル５３自体はアルミ等の金属で製作されるので、第１〜９、１１の実施の形態のレーザー測長器を搭載して、ターンテーブル外周側面に測定ビームを当てることにより、回転時における基準位置からの移動量を高精度に測定できるようになる。さらに、横送り機構５４の送り量の制御手段５５を備えることによって、横送り方向の移動量を測定してこの制御手段５５にフィードバックすることにより、横送り量を調整しターンテーブル５３の基準位置からの移動量をキャンセルして原盤露光を行うことが可能となり、横送り方向（すなわち光ディスク原盤の半径方向）の露光精度（これは光ディスク原盤のトラックピッチ精度となる）が向上する。
【００７９】
上記の説明からも明らかなように、第１２の実施の形態によれば、ターンテーブルもしくは露光ビームの横送り方向における、ターンテーブル回転時の基準点からの移動量を高精度に測定し、かつ測定量に基づき横送り機構の送り量を制御しているので、光ディスク原盤のトラックピッチ変動を抑え、高精度な原盤露光を行うことができる。
【００８０】
本発明の第１３の実施の形態の光ディスク原盤露光装置は、図１２に示すように、第１２の実施の形態と比較して、露光光学系５２の横送り方向へのビーム位置５２Ａを制御するビーム位置制御手段５６が付加されている。
【００８１】
光ディスク原盤露光装置の露光光学系には、露光フォーマットの関係上、横送り方向へのビーム位置制御手段５６が付加されていることも多い。この構成で、レーザー測長器（１〜７）によって横送り方向の移動量を測定するとともに、ビーム位置制御手段５６にフィードバックすることにより、ビーム位置を調整しターンテーブル５３の基準位置からの移動量をキャンセルして原盤露光を行うことが可能となり、横送り方向（すなわち光ディスク原盤の半径方向）の露光精度（これは光ディスク原盤のトラックピッチ精度となる）が向上する。
【００８２】
上記の説明からも明らかなように、第１３の実施の形態によれば、ターンテーブルもしくは露光ビームの横送り方向における、ターンテーブル回転時の基準点からの移動量を高精度に測定し、かつ測定量に基づき露光ビーム位置を制御しているので、光ディスク原盤のトラックピッチ変動を抑え、高精度な原盤露光を行うことができる。
【００８３】
また、上記第１３の実施の形態に対し、さらに横送り方向とその直交方向に対してビーム位置を制御可能なビーム位置制御手段を付加し、レーザー測長器（１〜７）により横送り方向とその直交方向の移動量を測定するとともに、上記ビーム位置制御にフィードバックすることにより、ビーム位置を調整しターンテーブル５３の基準位置からの移動量をキャンセルして原盤露光を行うことができ、横送り方向とその直交方向（すなわち光ディスク原盤の半径方向とトラック方向）の２方向において露光精度（これは光ディスク原盤のトラックピッチ精度およびピット位置精度となる）を向上させることができる。
【００８４】
本発明にかかるレーザー測長器は、上記光ディスク原盤露光装置の以外にも、精密な測定・制御を必要とするターンテーブルを備えたレーザー描画装置、電子線描画装置、精密加工装置、マスク転写装置などの機構または装置に適用して、特にターンテーブル回転時の動的移動量を測定する際の精度を向上させることができる。ターンテーブル外周面等に測定ビームを照射する、また回転時の動的移動量を使ってフィードバック制御を行うことで、これら装置精度の向上を図ることができる。
【００８５】
【実施例】
以下、実施例について本発明を詳細に説明する。
【００８６】
（実施例１）
図１３に示すようなレーザー測長器を用いて、アルミを切削加工して製作したリング状物体（外径Φ１２０ミリ、内径Φ１００ミリ、高さ１５ミリ）を被測定物体として、リング中心で回転させた際のリング外周部動的回転振れ量を測定した。
【００８７】
図１３において、図１９と同じ構成要素については記述を省略するが、図１９と同じくマイケルソン干渉計を利用し、干渉計で測定ビームを２本に分岐合成させた。レーザーヘッド１には２波長レーザを利用する。２波長レーザは波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザーであり、周波数差約３ＭＨｚのＰ偏光とＳ偏光が直径６ミリの測定ビームとして出射される。測定ビームと反射ビームの分離度を上げるため、ビームスプリッタ２には偏光ビームスプリッタと用い、２枚の1/4波長板２Ａ、２Ｂを利用する。干渉計として、ビームスプリッタ２と２枚の1/4波長板２Ａ、２Ｂが一体化されている。光検出器６と測長回路７は、２本の反射ビームの干渉光をヘテロダイン検出して、対象物体の基準点からの変位を１０ＭＨｚの速度で計測する。
【００８８】
円筒面に照射する測定ビームは、一旦レンズ３１およびレンズ３３からなるビームエクスパンダで拡大して、シリンドリカルレンズ（対物レンズ４ａ）でビーム成形し、リング外周の曲面方向（接線方向）にだけビームを絞り込んだ。シリンドリカルレンズは回転自在なホルダーで支持し、ホルダー回転中心を測定ビーム光軸と一致させたうえで微少回転を行い、ビーム集光方向がリング外周の曲面方向に一致するよう調整した。ビームエクスパンダ比は１.５倍（レンズ３１の焦点距離５０ミリ、レンズ３３の焦点距離７５ミリ）、シリンドリカルレンズの焦点距離は１５０ミリとし、長軸方向１２ミリ、短軸方向３０ミクロンの測定ビームスポットとした。さらにビームエクスパンダの焦点に直径５０ミクロンのアパーチャを配置した。アパーチャは必ずしも必要ではないが、付加することにより光検出器６の光電変換信号中のリップルノイズ成分を低減させることができた。
【００８９】
１２００ｒｐｍ回転時の動的回転振れ測定結果を図１４に示す。従来技術の測定で認められたドリフト成分を発生することなく、安定した測定を行うことができた。
【００９０】
（実施例２）
図１５に示すようなレーザー測長器を用いて、実施例１と同じリング状物体の内周部の回転時における動的振れ量を測定した。対物レンズ４ａのシリンドリカルレンズの焦点距離が長くリング内周に収まりきらないため、折り返しミラー２０をシリンドリカルレンズとリング内周面の間に配置した。実施例１と同じく１２００ｒｐｍ回転時の動的回転振れ測定を行ったところ、図１６に示すような測定結果が得られた。
【００９１】
（実施例３）
図１７に示すレーザー測長器は、リング状物体の直交する２方向に２ビーム干渉計を適用したものである。各方向の２ビーム干渉計は参照ミラー８として２個のコーナーキューブを有する。干渉計として、偏光ビームスプリッタと２個のコーナーキューブと1/4波長板が一体化されている。２本の測定ビームの分離性を上げるため、合成分割手段のビームスプリッタ２１に偏光ビームスプリッタを用いた。その他の構成は実施例１と同じである。実施例１と同じくリング状物体の１２００ｒｐｍ回転時の動的回転振れ量を測定した。測定結果を図１８に示す。
【００９２】
【発明の効果】
上述したように、請求項１の発明によれば、干渉計から出射される測定ビームを被測定物の曲面方向にのみ集光して被測定物表面に照射するシリンドリカルレンズ光学系を備えることにより、円筒など被測定物の曲面方向のみに曲面を有する被測定物の移動量を測定する際に、測定ビームの集束方向を被測定物体の曲面方向と一致させることで、ビームを被測定物の非曲面方向に細長く照射することができ、被測定面のミクロな凹凸の影響を平均化して移動量を精度良く測定することができる。
【００９３】
請求項２の発明によれば、２ビーム干渉計から出射される２本の測定ビームを１本に合成し、逆方向から入射する反射ビームを２本に分割する合成分割手段を設け、１本化された測定ビームを被測定物の曲面方向にのみ集光して被測定物表面に照射するシリンドリカルレンズ光学系を備えることにより、２ビーム干渉計による２倍の分解能を保持しつつ、被測定面のミクロな凹凸の影響を受けることなく精度の高い測定を行うことができるとともに、被測定物に照射されるビームは一本となるため、光学系セッティング時の取り扱いが容易になる。
【００９４】
請求項３、１７、２１の発明によれば、ビーム径縮小手段を設けることにより、被測定物の非曲面方向の照射ビーム径を小さくできるので、非曲面方向の大きさが光源の出射ビーム径よりも小さな被測定物に対しても、被測定面のミクロな凹凸の影響を排除した測定を行うことができる。
【００９５】
請求項４、１８、２２の発明によれば、ビーム径拡大手段を設けることにより、被測定物の非曲面方向の照射ビーム径を大きくできるので、非曲面方向のサイズが光源の出射ビーム径よりも大きな被測定物に対して、被測定面のミクロな凹凸の影響をより平均化することができ、一層精度良く測定を行うことができる。
【００９６】
請求項５、６の発明によれば、ビーム径拡大手段をシリンドリカルレンズ光学系の前段に設けることにより、光源の出射ビーム径と光検出器の入射ビーム径が同一となり、反射全光束を無駄なく光検出器に取り込むことができ、光量不足を起こすことなくなく安定した測定を行うことができる。
【００９７】
請求項７、８の発明によれば、ビーム径の縮小又は拡大手段として、２組の凸レンズ系を向かい合わせ共焦点位置に配置し、共焦点位置に適当な大きさのアパーチャを設けることにより、アパーチャにより光学ノイズ成分がカットされ、測定のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００９８】
請求項９、１０の発明によれば、ビーム径の縮小又は拡大手段として、変換倍率を連続的に変更可能なタイプを用いることにより、種々の大きさの被測定物に対してビーム径の縮小又は拡大手段を交換することなく対応することができ、操作性を向上させることができる。
【００９９】
請求項１１〜１３、１５の発明によれば、スリット状の照射ビームの方向を回転させる回転機構を備えることにより、測定ビームの非集光方向を被測定物の非曲面方向に一致させることがより容易となり、調整誤差による測定精度低下を改善することができる。
【０１００】
請求項１４の発明によれば、２ビーム干渉計からの２本の測定ビームをそれぞれ被測定物の曲面方向のみに収束させるシリンドリカルレンズ光学系を備えることにより、円筒など被測定物の曲面方向のみに曲面を有する被測定物体の移動量を測定する際に、測定ビームの集光方向を被測定物体の曲面と一致させることで、２本のビームによる測長を行うことができるとともに、照射ビームは物体の非曲面方向に十分長くとることがでるので、２ビーム干渉計による２倍の分解能を得ると同時に、被測定面のミクロな凹凸の影響は平均化され移動量を精度良く測定できる。
【０１０１】
請求項１６の発明によれば、共通軸上に測定ビームが対向して照射するよう配置することにより、特に曲面物体の外周の変位測定に好適なレーザー測長器を得ることができる。また、被測定物体の移動量に対して光学移動量が２倍になるので、分解能を２倍にすることができる。
【０１０２】
請求項２０の発明によれば、共通軸上に測定ビームを逆向きに照射するよう配置することにより、特に曲面物体の内周の変位測定に好適なレーザー測長器を得ることができる。また、被測定物体の移動量に対して光学移動量が２倍になるので、分解能を２倍にすることができる。
【０１０３】
請求項１９、２３の発明によれば、被測定物に対し、直交する２方向に変位測定手段を備えることにより、直交２方向の変位測定を同時に行うことができるとともに、測定値を制御に利用することができる。
【０１０７】
請求項２４の発明によれば、請求項１〜１９のレーザー測長器を搭載することにより、ターンテーブルを有するレーザー描画装置、電子線描画装置、精密加工装置、マスク転写装置などで、回転時のターンテーブル移動量を高精度に測定することができ、また測定量を制御に利用することで加工精度等の装置性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザー測長器とその作用を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のレーザー測長器を示す図である。
【図３】ビーム径縮小又は拡大手段の具体的な形態を例示する図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のレーザー測長器を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態のレーザー測長器とその作用を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態のレーザー測長器とその作用を示す図である。
【図７】本発明の第６〜８の実施の形態のレーザー測長器の作用を示す図である。
【図８】本発明の第９の実施の形態のレーザー測長器を示す図である。
【図９】本発明の第１０の実施の形態のレーザー測長器を示す図である。
【図１０】本発明の第１１の実施の形態のレーザー測長器を示す図である。
【図１１】本発明の第１２の実施の形態の光ディスク原盤露光装置を示す図である。
【図１２】本発明の第１３の実施の形態の光ディスク原盤露光装置を示す図である。
【図１３】実施例１のレーザー測長器を示す図である。
【図１４】実施例１の測定結果を示す図である。
【図１５】実施例２のレーザー測長器を示す図である。
【図１６】実施例２の測定結果を示す図である。
【図１７】実施例３のレーザー測長器を示す図である。
【図１８】実施例３の測定結果を示す図である。
【図１９】マイケルソン干渉計を利用したレーザー測長器の従来例を示す図である。
【図２０】２ビーム干渉計を利用したレーザー測長器の従来例を示す図である。
【図２１】物体曲面の切削痕による変位測定データの変動を説明する図である。
【符号の説明】
１  レーザーヘッド
２，２１，２３  ビームスプリッタ
３，８  参照ミラー
４，４ａ  対物レンズ
５  被測定物体
６  光検出器
７  測長回路
１０  ビーム径縮小手段
１１  ビーム径拡大手段
２０  ミラー
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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