特許 5786270 ２色干渉計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5786270

(24)【登録日】2015年8月7日

(45)【発行日】2015年9月30日

(54)【発明の名称】２色干渉計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20060101AFI20150910BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20150910BHJP

【ＦＩ】

   G01B9/02

   G01B11/00 G

【請求項の数】12

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2014-40200(P2014-40200)

(22)【出願日】2014年3月3日

(65)【公開番号】特開2014-196999(P2014-196999A)

(43)【公開日】2014年10月16日

【審査請求日】2014年12月2日

(31)【優先権主張番号】特願2013-43840(P2013-43840)

(32)【優先日】2013年3月6日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(72)【発明者】

【氏名】川田 善之

(72)【発明者】

【氏名】青戸 智浩

【審査官】 眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−２５０８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−０２８５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−３００２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０５−５００８６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−９／１０

Ｇ０１Ｂ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長を有する第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光を、第１の参照光及び第１の測定光に分割し、固定反射体で反射された前記第１の参照光と測定対象物に取り付けられた移動反射体で反射された前記第１の測定光とを第１の干渉位置で合成して第１の干渉光を生成し、かつ前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のレーザ光を、第２の参照光及び第２の測定光に分割し、前記第２の参照光を前記第１の参照光の光路を逆進させるとともに、前記第２の測定光を前記第１の測定光の光路を逆進させ、前記固定反射体で反射された前記第２の参照光と前記移動反射体で反射された前記第２の測定光とを第２の干渉位置で合成して第２の干渉光を生成する光分割合成手段と、
前記第１の参照光と前記第２の参照光の光路、及び前記第１の測定光と前記第２の測定光の光路のいずれか一方の光路のみに配設されたウェッジプリズムと、
前記第１の干渉光を受光して第１の干渉信号を検出する第１の光検出手段と、
前記第２の干渉光を受光して第２の干渉信号を検出する第２の光検出手段と、
を備え、
前記ウェッジプリズムから前記第１の干渉位置までの光路長よりも、前記ウェッジプリズムから前記第２の干渉位置までの光路長が長いことを特徴とする２色干渉計測装置。

【請求項2】

前記第１及び第２の干渉信号から前記移動反射体の移動量、移動方向及び大気揺らぎに
よる光路長の伸縮方向を算出して前記測定対象物の距離を演算する信号処理装置を備えた
請求項１に記載の２色干渉計測装置。

【請求項3】

前記第１及び第２の光検出手段は、前記第１及び第２の干渉光の光軸に直交し且つ干渉
縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタを有し、所定角度ずつ位相
のずれた複数相からなる干渉信号を検出する請求項２に記載の２色干渉計測装置。

【請求項4】

前記２光軸系の光干渉機構が少なくとも２系統平行な光軸を形成するように設けられた
光学系と、
前記光学系のそれぞれの系統ごとに設けられ、垂直方向及び／又は水平方向に配列され
た前記移動反射体と、
前記信号処理装置で計算されたそれぞれの系統ごとの前記移動反射体の移動量から前記
測定対象物の傾き角度を演算する角度演算装置と、を備えた請求項２又は３に記載の２色
干渉計測装置。

【請求項5】

前記第１のレーザ光源は、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源であり、前記第２の
レーザ光源は、波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源である請求項１から４のいずれ
か１項に記載の２色干渉計測装置。

【請求項6】

前記半導体レーザ光源にはレーザ光源の温度を制御する温度制御装置が設けられる請求
項５に記載の２色干渉計測装置。

【請求項7】

前記ウェッジプリズムに対して同一の光路で前記第１の参照光と前記第２の参照光とが
逆進し、
前記ウェッジプリズムから前記第１の干渉位置までの前記第１の参照光の光路長よりも
、前記ウェッジプリズムから前記第２の干渉位置までの前記第２の参照光の光路長が長い
請求項５又は６に記載の２色干渉計測装置。

【請求項8】

前記第１及び第２の測定光は、前記移動反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射
面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成され、前記第１及び第２の参照光
は、前記固定反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ
部から出射するように構成されている請求項１から７のいずれか１項に記載の２色干渉計
測装置。

【請求項9】

前記光分割合成手段は、移動反射体側と固定反射体側で光路長が非対称に構成され、前
記ウェッジプリズム及びその他空気以外のレーザ光路の２波長の屈折率の温度係数の違い
による温度変化による誤差を補正する請求項１〜６のいずれか１項に記載の２色干渉計測
装置。

【請求項10】

前記光分割合成手段は、前記ウェッジプリズムと熱膨張係数が同一の材料で構成され、
前記光分割合成手段のうち前記第１及び第２の測定光が通過する部分の光軸方向の厚さ
が、前記第１及び第２の参照光が通過する部分の光軸方向の厚さよりも、前記ウェッジプ
リズムの光軸方向の厚さの半分だけ厚くされている請求項９に記載の２色干渉計測装置。

【請求項11】

前記第１のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第１の強度分布成型素子が配置さ
れ、前記第１のレーザ光のガウシアンビームが、前記第１の強度分布成型素子によってフ
ラットトップの出力ビームに変換され、
前記第２のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第２の強度分布成型素子が配置さ
れ、前記第２のレーザ光のガウシアンビームが、前記第２の強度分布成型素子によってフ
ラットトップの出力ビームに変換される請求項１〜１０のいずれか１項に記載の２色干渉
計測装置。

【請求項12】

前記２つのレーザ光のレーザ進行方向の垂直断面のレーザ強度分布を、トップフラット
形状のレーザ強度分布に変換する強度分布成型素子を備えた請求項１〜１０のいずれか１
項に記載の２色干渉計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２色干渉計測装置に係り、特に２つの異なる波長をもつレーザ光源を用いた２色干渉法を用いて距離（長さ）及び角度を計測する２色干渉計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光干渉法を用いて物体の距離（長さ）を計測する計測方法としてＨｅＮｅレーザ等の単一波長を用いたホモダイン式の干渉計測装置がある。

【0003】

しかし、ホモダイン式の干渉計測装置は、単一の光源から出たレーザ光を測定光と参照光とに分割し、測定対象物に取り付けられた移動反射体及び参照ミラーで反射された測定光及び参照光を重ね合わせて干渉させるため、大気中での距離計測において、気温、気圧、湿度等による大気の揺らぎの変動が屈折率の変化をもたらすため、計測誤差となる。ゼーマンレーザー等の高精度の光源にて環境センサーを用いても、大気揺らぎには分布があるため、正確に補正できないという問題があった。

【0004】

特許文献１には、２波長のレーザ光を使用した２色干渉法の原理を用いて、大気の揺らぎを自己補償するように構成された２波長の位相制御光学装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−１８６３６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１のように、２色干渉法を用いて大気揺らぎを自己補償でき大気揺らぎの影響（以下「大気揺らぎの問題」という）を受け難くできるとしても、２色干渉法を用いて距離（長さ）や角度（ヨーイング、ピッチング）を計測する計測装置を具現化するには以下の問題点（課題）を解決する必要がある。

【0007】

（１）２色干渉法は、大気揺らぎを自己補償できる反面、２つの測定光の測定光路長誤差が大きくなり易いという問題がある。即ち、計測したい距離Ｄは、２つのレーザの光学的距離Ｌ２及びＬ１と、空気や温度や気圧に殆ど依存しない定数であるＡとにより、Ｄ＝Ｌ２−Ａ（Ｌ２−Ｌ１）で表される。これにより、２色干渉法では（Ｌ２−Ｌ１）測定の誤差がＡ倍となり、この係数Ａが数十〜数百となる。したがって、測定光路長（Ｌ２−Ｌ１）誤差を如何に小さくするかが２色干渉法を用いた計測装置を具現化する上で重要となる。この対応策の１つとして、２色法のレーザ光源として、周波数安定度が安定した２つのレーザ光源が必要になる。これまでは２つのレーザ光源として、周波数安定度の高い光コムを第１の光源とし、第１光源の２倍の周波数を生成する第二高調波発生器（ＳＨＧ）を第２の光源とする組み合わせ、又はＹＡＧレーザを第１の光源とし、ＳＨＧを第２の光源とする組み合わせが用いられてきた。しかし、これらの組み合わせは、装置が高価であるという問題や、波長（周波数）の選択性が低く、このために、特に光コムとＳＨＧとの組み合わせでは係数Ａが大きいという問題がある（以下「周波数安定度の良い２種類のレーザ光源の問題」という）。

【0008】

（２）また、従来の２色干渉法ではダイクロイックミラーを使用して、２つの光源から出た２つのレーザ光を同軸で伝播させることで同一の光学系を経由し、これにより測定誤差が小さくなるように試みている。しかし、ダイクロイックミラーで２つの測定光を同軸上にアライメントすることは極めて難しく、アライメント誤差が光路長測長の誤差になるという問題がある。更にはダイクロイックミラーが温度ドリフト等により変形・変位すると光軸が変わってしまうので、ダイクロイックミラーを透過するレーザと、反射するレーザとを同軸上にアライメントすることは難しいという問題がある（以下、「光軸アライメントの問題」という）。

【0009】

（３）また、距離や角度を計測する計測装置を構成するには、測定対象物に取り付けられる移動反射体の移動量を精度良く測定することが必要になる。しかし、単純な位相計測では空気揺らぎにより、数周期分位相がずれてしまい、数周期のずれを読み取ることが実質的に困難である。更には、単純な位相計測では、干渉縞の山や谷の付近では移動反射体の移動方向や、大気の揺らぎによる光路長の伸縮方向が分からない。これにより、Ｌ２とＬ１が正確に分からないので、Ｄ＝Ｌ２−Ａ（Ｌ２−Ｌ１）の式で大きな誤差を生じる。したがって、距離や角度を計測する計測装置を構成するには、移動反射体の移動量を単に正確に計測できる以外に、移動反射体の移動方向や大気の揺らぎによる光路長の伸縮をどのように具体化するかが重要になる（以下「計測方法の具体化の問題」という）。

【0010】

以上述べた背景から、従来、２色干渉法は屈折率の補正のみに使用されており、２色干渉法を用いて距離（長さ）や角度を計測するための計測装置は未だに商品化されていないのが実状である。

【0011】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、２色干渉法を用いて高精度に距離や角度を計測することができ、しかも価格的にも安価であるので、実装置として好適な２色干渉計測装置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】

【0012】

本発明の２色干渉計測装置は、前記目的を達成するために、第１波長を有する第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザ光を、第１の参照光及び第１の測定光に分割し、固定反射体で反射された前記第１の参照光と測定対象物に取り付けられた移動反射体で反射された前記第１の測定光とを第１の干渉位置で合成して第１の干渉光を生成し、かつ前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のレーザ光を、第２の参照光及び第２の測定光に分割し、前記第２の参照光を前記第１の参照光の光路を逆進させるとともに、前記第２の測定光を前記第１の測定光の光路を逆進させ、前記固定反射体で反射された前記第２の参照光と前記移動反射体で反射された前記第２の測定光とを第２の干渉位置で合成して第２の干渉光を生成する光分割合成手段と、前記第１の参照光と前記第２の参照光の光路、及び前記第１の測定光と前記第２の測定光の光路のいずれか一方の光路のみに配設されたウェッジプリズムと、前記第１の干渉光を受光して第１の干渉信号を検出する第１の光検出手段と、前記第２の干渉光を受光して第２の干渉信号を検出する第２の光検出手段と、を備え、前記ウェッジプリズムから前記第１の干渉位置までの光路長よりも、前記ウェッジプリズムから前記第２の干渉位置までの光路長が長いことを特徴とする。

【0013】

本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２の干渉信号から前記移動反射体の移動量、移動方向及び大気揺らぎによる光路長の伸縮方向を算出して前記測定対象物の距離を演算する信号処理装置を備えたことが好ましい。

【0014】

本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２の光検出手段は、前記第１及び第２の干渉光の光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタを有し、所定角度ずつ位相のずれた複数相からなる干渉信号を検出することが好ましい。

【0015】

以下述べる「近接」とは、２つのレーザ光がほぼ同一の大気環境を通過可能な距離を意味する。

【0016】

本発明の２色干渉計測装置によれば、２色干渉法の自己補償によって大気の揺らぎの影響を受け難くできるだけでなく、周波数安定度が１０^−８より高精度で波長の異なるレーザ光を出射する２種類のレーザ光源（第１のレーザ光源、第２のレーザ光源）を用いて２光軸系の光干渉機構として構成するようにした。これにより、レーザ光源に起因する計測誤差及び光軸アライメントに起因する計測誤差を小さくできる。また、２つのレーザ光をウェッジプリズムに通過させてわずかに波面を傾け（例えば波面を１波長分以上傾け）、光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタを有する光検出手段（第１の光検出手段、第２の光検出手段）で検出するようにしたので、移動反射体の移動方向や揺らぎ方向を把握できる。これにより、２色干渉法を用いた計測装置の計測方法を具体的に構築することができる。

【0017】

したがって、本発明の２色干渉計測装置は、従来の問題点であった「大気揺らぎの問題」、「周波数安定度の良い２種類のレーザ光源の問題」、「光軸アライメントの問題」、及び「計測方法の具体化の問題」を解決することができる。これにより、２色干渉法を用いて高精度に距離や角度を計測することができ、しかも価格的にも安価であるので、実装置として好適な２色干渉計測装置を提供することができる。

【0018】

本発明の２色干渉計測装置は、前記２光軸系の光干渉機構が少なくとも２系統の平行な光軸を形成するように設けられた光学系と、前記光学系のそれぞれの系統ごとに設けられ、垂直方向及び／又は水平方向に配列された前記移動反射体と、前記信号処理装置で計算されたそれぞれの系統ごとの前記移動反射体の移動量から前記測定対象物の傾き角度を演算する角度演算装置と、を備えた態様を取ることができる。

【0019】

これにより、測定対象物の傾き角度（ヨーイング、ピッチング）を高精度に計測する２色干渉計測装置を低価格で構築することができる。

【0020】

本発明の２色干渉計測装置は、前記２つのレーザ光源は、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源と波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源であることが好ましい。

【0021】

波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源と波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源との組み合わせは下記ａ）〜ｆ）の理由で好適である。ａ）波長が離れているためＡ係数を小さくでき、周波数安定度が１０^−８より高精度でかつ容易に波長を校正できる（５００ｎｍ未満の波長又は１６８４ｎｍを超える波長のレーザは校正が困難である。）。ｂ）波長６３３ｎｍと１５５０ｎｍ帯はそれぞれ、シリコンとインジウムガリウムヒ素の光検出器に感度を持つが、その逆には感度を持たないため、波長６３３ｎｍ用の光検出器が波長１５５０ｎｍ帯の光を検出することもなく、また、波長１５５０ｎｍ帯用の光検出器が波長６３３ｎｍの光を検出することもないため、光検出器のクロストークによる誤差を回避できる。ｃ）１５５０ｎｍ帯の波長はアイセーフであるため、目に入ったときの危険が少ない。ｄ）安価に過干渉距離が長い光源を用意できる（例えば１０ｍ以上）。ｅ）１５５０ｎｍ帯は光学部品が充実しているため干渉計を安価に組むことができる。ｆ）１５５０ｎｍ帯の波長は〔式１〕のコーシーの分散公式を見ると分かるように、波長変動による屈折率変化や屈折率の揺らぎに対してロバストであり、一方の波長による計測を揺らぎに対してロバストにできる。

【0022】

〔式１〕
ｎ−１＝ｋ１（１＋ｋ２／λ２）…式１
ここで、ｎ：屈折率
ｋ１：定数
ｋ２：定数
λ：波長
本発明の２色干渉計測装置は、前記半導体レーザ光源にはレーザ光の温度を制御する温度制御装置が設けられることが好ましい。これにより、周波数安定度の良い半導体レーザ光源を安価に構成することができる。

【0023】

本発明の２色干渉計測装置は、前記ウェッジプリズムに対して同一の光路で前記第１の参照光と前記第２の参照光とが逆進し、前記ウェッジプリズムから前記第１の干渉位置までの前記第１の参照光の光路長よりも、前記ウェッジプリズムから前記第２の干渉位置までの前記第２の参照光の光路長が長いことが好ましい。

【0024】

このように、２つの参照光を共通のウェッジプリズムに逆向きの光路で逆進させることによって、２つの参照光についてウェッジプリズムから第１及び第２の光検出手段までの光路長が異なるようにできるので、ウェッジプリズムでの屈折による位置ずれを２つの参照光で合わせることができる。これにより計測精度を向上できる。

【0025】

本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２の測定光は、前記移動反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成され、前記第１及び第２の参照光は、前記固定反射体の一方のコーナ部に入射し、直角な反射面で反射されて他方のコーナ部から出射するように構成されていることが好ましい。

【0026】

１光軸系のように移動反射体（例えばＣＣＰ）や固定反射体（例えばＣＣＰ）の中央部にレーザ光を入射させる場合には、中央部からの僅かなずれによって光検出手段に対して模様（例えば３本のスジ）ができてしまい、理想的な検出信号（正弦波）が得られ難い。これが計測誤差の要因になる。

【0027】

しかし、本発明のように、２光軸系の光干渉機構とすることで、移動反射体（例えばＣＣＰ）や固定反射体（例えばＣＣＰ）の中央部にレーザ光を入射させる必要がないので、理想的な検出信号（正弦波）を得ることができる。

【0028】

本発明の２色干渉計測装置は、前記光分割合成手段は、移動反射体側と固定反射体側で光路長が非対称に構成され、前記ウェッジプリズム及びその他空気以外のレーザ光路の２波長の屈折率の温度係数の違いによる温度変化による誤差を補正することが好ましい。

【0029】

本発明の２色干渉計測装置は、前記光分割合成手段は、前記ウェッジプリズムと熱膨張係数が同一の材料で構成され、前記光分割合成手段のうち前記第１及び第２の測定光が通過する部分の光軸方向の厚さが、前記第１及び第２の参照光が通過する部分の光軸方向の厚さよりも、前記ウェッジプリズムの光軸方向の厚さの半分だけ厚くされていることが好ましい。

【0030】

本発明の２色干渉計測装置は、前記第１のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第１の強度分布成型素子が配置され、前記第１のレーザ光のガウシアンビームが、前記第１の強度分布成型素子によってフラットトップの出力ビームに変換され、前記第２のレーザ光源と前記光分割合成手段との間に第２の強度分布成型素子が配置され、前記第２のレーザ光のガウシアンビームが、前記第２の強度分布成型素子によってフラットトップの出力ビームに変換されることが好ましい。

【0031】

本発明の２色干渉計測装置は、前記２つのレーザ光のレーザ進行方向の垂直断面のレーザ強度分布を、トップフラット形状のレーザ強度分布に変換する強度分布成型素子を備えたことが好ましい。

【0032】

本発明の２色干渉計測装置は、前記第１及び第２のレーザ光が逆向きの共通光路を通るレーザ光を可視化するレーザ光可視化手段を備え、前記レーザ光可視化手段の一方の面からレーザ光を観察することにより、第１及び第２のレーザ光のアライメントの位置ずれを確認することが好ましい。

【発明の効果】

【0033】

本発明の２色干渉法を用いた計測装置によれば、高精度に距離や角度を計測することができると共に価格的にも安価であり、実装置として十分な性能を有する計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】距離を計測する２色干渉計測装置の全体構成図

【図2】図１に示した２色干渉計測装置のＨｅＮｅレーザ光源から出射されたレーザ光の光路を示した説明図

【図3】図１に示した２色干渉計測装置の半導体レーザ光源から出射されたレーザ光の光路を示した説明図

【図4】移動反射体の移動装置の一例を示す説明図

【図5】干渉信号強度と距離との関係を示す図

【図6】ウェッジプリズムと４分割の光検出手段を用いて距離計測原理を説明する説明図

【図7】移動反射体の移動方向を説明する説明図

【図8】一方のレーザ光源として波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源を使用した場合における他方のレーザ光源の波長と係数Ａとの関係図

【図9】ダイクロックミラーを用いて１光軸系の計測装置を構成した場合の全体図

【図10】光分割合成手段の別実施例の構成図

【図11】距離を計測する２色干渉計測装置の全体構成図の別例図

【図12】レーザの強度分布がガウシアン形状での光検出を説明する説明図

【図13】レーザの強度分布がトップフラット形状での光検出を説明する説明図

【図14】角度を計測する２色干渉計測装置の全体構成図

【図15】角度計測の演算方法を説明する説明図

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、添付図面に従って本発明に係る２色干渉計測装置の好ましい実施の形態について詳説する。

【0036】

［距離（長さ）を計測する２色干渉計測装置］
図１は、２色干渉法を用いて距離（長さ）を計測する２色干渉計測装置１０の構成図である。

【0037】

図１に示すように、２色干渉計測装置１０は、主として、波長の異なる２種類のレーザ光源（第１のレーザ光源、第２のレーザ光源）１２、１４と、光分割合成手段１６と、測定対象物（図示せず）に取り付けられ測定光（第１の測定光、第２の測定光）Ｘ１、Ｙ１を反射する移動反射体１８と、参照光（第１の参照光、第２の参照光）Ｘ２、Ｙ２を反射する固定反射体２０と、参照光Ｘ２、Ｙ２が同一光路において互いに逆進して通過するウェッジプリズム２２と、レーザ光源１２、１４からの２つのレーザ光（第１の干渉光Ｘ３、第２の干渉光Ｙ３）を検出する第１及び第２の光検出手段２４、２６と、信号処理装置２８と、で構成される。

【0038】

レーザ光源１２、１４は、互いに波長が異なるレーザ光（第１のレーザ光、第２のレーザ光）を出射する装置であり、レーザ光源１２、１４は周波数安定度が１０^−８より高精度であることが好ましい。また、レーザ光源１２、１４は、波長（周波数）の選択性が高く、波長差を４００ｎｍ以上とれることが好ましい。

【0039】

このような条件を満足するレーザ光源１２、１４としては、例えば波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２と、波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源１４との組み合わせを好適に使用することができる。この場合、半導体レーザ光源１４には、半導体レーザの温度を制御して一定温度に維持する温度制御装置３０を設けることが上記の周波数安定度を得る上で好ましい。これにより、２色干渉法を用いた計測装置の２種類のレーザ光源１２、１４を、周波数安定性が高く且つ低価格で構成することができる。

【0040】

以下の説明ではＨｅＮｅレーザ光源１２と半導体レーザ光源１４との例で説明すると共に、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されるレーザ光をレーザ光Ｘと称し、半導体レーザ光源１４から出射されるレーザ光をレーザ光Ｙと称する。

【0041】

図１に示すように、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘ（実線）は、光ファイバ３２を伝播して第１のコリメータレンズ３４に入射し、第１のコリメータレンズ３４によって平行光に変換されて光分割合成手段１６に入射する。一方、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙ（点線）は、光ファイバ３６を伝播して第２のコリメータレンズ３８に入射し、第２のコリメータレンズ３８によって平行光に変換された後、２つのミラー４０、４２で反射して光分割合成手段１６に入射する。

【0042】

光ファイバ３２、３６は、光の伝送路であり、機器間で光を送受する機能を備える。光ファイバ３２、３６は透過率の高い石英ガラス又はプラスチック製であり、外側よりも芯の屈折率を高くすることで光を芯にだけ伝搬させることができる。

【0043】

光分割合成手段１６は、レーザ光Ｘ、Ｙを測定光Ｘ１、Ｙ１と参照光Ｘ２、Ｙ２とに分割する光学素子であり、ビームスプリッタ、ハーフミラー、又はそれと同等の機能を有する手段を好適に使用することができる。

【0044】

なお、ミラー４０、４２は、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘと、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙとを、平行で近接した２光軸系の光干渉機構を形成し、光軸方向を調整するためのものである。したがって、ＨｅＮｅレーザ光源１２と半導体レーザ光源１４との配置から、ミラー４０、４２を用いずに平行で近接した２光軸系の光干渉機構を形成できる場合には使用しなくてもよい。

【0045】

光分割合成手段１６に入射したレーザ光Ｘは、移動反射体１８へ進む測定光Ｘ１と、固定反射体２０へ進む参照光Ｘ２とに分割される。そして、移動反射体１８で反射された測定光Ｘ１と固定反射体２０で反射された参照光Ｘ２とが再び光分割合成手段１６に入射して重ね合わされ（合成され）干渉光Ｘ３として生成される。

【0046】

同様に、光分割合成手段１６に入射したレーザ光Ｙは、移動反射体１８へ進む測定光Ｙ１と、固定反射体２０へ進む参照光Ｙ２とに分割される。そして、移動反射体１８で反射された測定光Ｙ１と固定反射体２０で反射された参照光Ｙ２とが再び光分割合成手段に入射し重ね合わされて干渉光Ｙ３として生成される。

【0047】

図１から分かるように、レーザ光Ｘとレーザ光Ｙとは、平行で近接する２光軸系の光干渉機構を形成すると共に、光分割合成手段１６と移動反射体１８との間を進む測定光Ｘ１と測定光Ｙ１とは同一の光路で互いに逆進する。また同様に、光分割合成手段１６と固定反射体２０との間を進む参照光Ｘ２と参照光Ｙ２とは同一の光路で互いに逆進する。レーザ光Ｘとレーザ光Ｙを近接させる理由は、同じ大気環境（温度、気圧、湿度等）を通過した方が大気揺らぎの位置変化分布の影響を小さくするからである。

【0048】

固定反射体２０の出射側には、ウェッジプリズム２２が配設される。これにより、ウェッジプリズム２２を通過する参照光Ｘ２、Ｙ２の波面が通過前の光軸に対してわずかに傾けられる。なお、ウェッジプリズム２２は固定反射体２０の出射側に限定されず、固定反射体２０又は移動反射体１８の入射側又は出射側の光路中の何れかに配設されればよい。

【0049】

図２は、図１に示した２色干渉計測装置１０において、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘの光路を実線の矢印で示した説明図である。また、図３は、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙの光路を破線の矢印で示した説明図である。なお、図２、図３においては、図面の煩雑さを避けるため、光ファイバ３２、３６、コリメータレンズ３４、３８、及びミラー４０、４２の図示を省略している。

【0050】

図２、図３の如く、ＨｅＮｅレーザ光源１２の参照光Ｘ２と半導体レーザ光源１４の参照光Ｙ２とは、ウェッジプリズム２２を同一の光路で逆進している。

【0051】

そして、ウェッジプリズム２２の参照光Ｘ２の出射端２２ａから、光分割合成手段１６の干渉位置（測定光Ｘ１と参照光Ｘ２との干渉位置：第１の干渉位置）１６ａまでの参照光Ｘ２の光路長が光路長Ｑに設定されている。また、ウェッジプリズム２２の参照光Ｙ２の出射端２２ｂから、光分割合成手段１６の干渉位置（測定光Ｙ１と参照光Ｙ２との干渉位置：第１の干渉位置）１６ｂまでの参照光Ｙ２の光路長がＲ（Ｒ＝Ｒ１+Ｒ２+Ｒ３）に設定されている。つまり、光路長Ｑよりも光路長Ｒが長く設定されている。なお、Ｒ１は、出射端２２ｂから固定反射体２０までの光路長であり、Ｒ２は固定反射体２０内での光路長であり、Ｒ３は、固定反射体２０から干渉位置１６ｂまでの光路長である。

【0052】

ウェッジプリズム２２を通過した参照光Ｘ２の屈折角は、周波数の違いから、ウェッジプリズム２２を通過した参照光Ｙ２の屈折角度よりも大きい。このため、ウェッジプリズム２２から干渉位置１６ｂまでの参照光Ｙ２の光路長Ｒを、ウェッジプリズム２２から干渉位置１６ａまでの参照光Ｘ２の光路長Ｑよりも長くする。

【0053】

好ましくは、干渉位置１６ａに対する参照光Ｘ２の位置ずれと、干渉位置１６ｂでの参照光Ｙ２の位置ずれとが、同程度となるように、ウェッジプリズム２２の位置を調整して参照光Ｙ２の光路長Ｒを長くする。これにより、第１及び第２の光検出手段２４、２６のアライメントが容易になる。

【0054】

また、２色干渉計測装置１０は、１つのウェッジプリズム２２に対し、同一の光路で参照光Ｘ２と参照光Ｙ２とを逆進させた構成なので、１つのウェッジプリズム２２によって、光路長Ｑ、Ｒの調整が可能となる。

【0055】

光分割合成手段１６で生成された干渉光Ｘ３は、第１のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４を介して第１の光検出手段２４で受光され、電気信号（アナログ）である干渉信号（第１の干渉信号）に変換されて信号処理装置２８に出力される。同様に、光分割合成手段１６で生成された干渉光Ｙ３は、第２のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６を介して第２の光検出手段２６で受光され、電気信号（アナログ）である干渉信号（第２の干渉信号）に変換されて信号処理装置２８に出力される。

【0056】

第１及び第２のレンズ４４、４６は、光分割合成手段１６で生成された干渉光Ｘ３、Ｙ３を、光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄ（図６参照）で受光できるように、光検出手段２４、２６のサイズにレーザ光Ｘ、Ｙを拡げる。

【0057】

信号処理装置２８としては、例えば、信号処理回路とカウンタとコンピュータとを組み合わせることで構成することができる。

【0058】

第１及び第２の光検出手段２４、２６は、光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄ（図６参照）を有し、所定角度ずつ位相のずれた複数相の信号を検出する。そして、信号処理装置２８では、光検出手段２４、２６で得られた干渉信号から移動反射体１８の移動量及び移動反射体１８の移動方向を求め、大気揺らぎによる光路長の伸縮を加味して測定対象物に取り付けられた移動反射体１８の移動量を演算する。これにより、測定対象物の移動距離（長さ）を計測することができる。

【0059】

図４に示すように、移動反射体１８は移動装置４８に搭載される。移動装置４８は、移動反射体１８、直動ステージ５０等から構成される。移動反射体１８としては、再帰性反射可能なＣＣＰ（コーナキューブプリズム）又は直角プリズムミラー等が用いられる。これにより、移動反射体１８は、光分割合成手段１６から出射された測定光Ｘ１、Ｙ１を直角に組み合わされた面に入射させ、入射方向と平行な逆方向に反射する。この場合、移動反射体１８から戻される測定光Ｘ１、Ｙ１は２光軸系を維持していることが必要になる。したがって、測定光Ｘ１、Ｙ１は移動反射体１８の中央部に入射させるのではなく、図１及び図４から分かるように、移動反射体１８の一方のコーナ部に入射させ、直角な２つの反射面で反射させて他方のコーナ部から出射させることにより、入射方向と平行で且つ逆方向に出射させる。

【0060】

直動ステージ５０は、測定光Ｘ１、Ｙ１の進行方向又は逆方向にスライド可能な移動体であり、移動させることで、測定光Ｘ１、Ｙ１の光路長を変化させることができる。直動ステージ５０の移動は、光検出手段２４、２６からの干渉信号に基づいて信号処理装置２８が移動制御信号を生成し、直動ステージ５０上の移動反射体１８の移動量を求める。

【0061】

また、参照光Ｘ２、Ｙ２が反射する固定反射体２０は、移動反射体１８と同様に再帰性反射可能なＣＣＰ（コーナキューブプリズム）又は直角プリズムミラー等が用いられる。固定反射体２０の場合も、移動反射体１８と同様に、固定反射体２０の中央に入射させるのではなく、図１及び図４から分かるように、固定反射体２０の一方のコーナ部に入射させ、直角な２つの反射面で反射させて他方のコーナ部から出射させることにより、入射方向と平行で且つ逆方向に出射させる。

【0062】

次に、上記のごとく構成された２色干渉計測装置１０で測定対象物の移動距離（長さ）を計測する計測方法について説明する。

【0063】

計測装置１０で測定対象物の移動距離（長さ）を計測する場合、操作者は、移動反射体１８を測定対象物に取り付け、測定光Ｘ１、Ｙ１が移動反射体１８（例えばＣＣＰ）のコーナ部に正確に入射するように、計測装置１０を位置決めして固定する。準備が終了したら測定対象物を移動させて計測を開始する。

【0064】

計測が開始されると、図１に示すようにＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘは、光分割合成手段１６で２つのレーザ光である測定光Ｘ１と参照光Ｘ２に分割される。

【0065】

次に、測定光Ｘ１は移動反射体１８に入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６に入射する。参照光Ｘ２は固定反射体２０に入射し、そこで逆方向に反射された後、ウェッジプリズム２２を介して再び光分割合成手段１６に入射する。移動反射体１８から光分割合成手段１６に入射した測定光Ｘ１と、固定反射体２０から光分割合成手段１６に入射した参照光Ｘ２は、光分割合成手段１６で重なり合って干渉光Ｘ３を生成した後、第１のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４を介して第１の光検出手段２４に入射する。

【0066】

同様に、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙは、光分割合成手段１６で２つのレーザ光である測定光Ｙ１と参照光Ｙ２に分割される。

【0067】

次に、測定光Ｙ１は移動反射体１８に入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６に入射する。参照光Ｙ２はウェッジプリズム２２を介して固定反射体２０に入射し、そこで逆方向に反射された後、再び光分割合成手段１６に入射する。移動反射体１８から光分割合成手段１６に入射した測定光Ｙ１と、固定反射体２０から光分割合成手段１６に入射した参照光Ｙ２は、光分割合成手段１６で重なり合って干渉光Ｙ３を生成した後、第２のレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６を介して第２の光検出手段２６に入射する。

【0068】

上記レーザ光Ｘ、Ｙは、光分割合成手段１６から光検出手段２４、２６まで、それぞれの光軸を有すると共に平行で近接した２光軸系の光干渉機構として構成される。また、前記した２光軸系において、レーザ光Ｘとレーザ光Ｙとは、同一の光路において逆進する。

【0069】

測定光Ｘ１、Ｙ１は、それぞれ参照光Ｘ２、Ｙ２と干渉して干渉光Ｘ３、Ｙ３を生成し、干渉縞（干渉信号）を生じる。干渉信号の強度は、測定光Ｘ１と参照光Ｘ２との光路差と、測定光Ｙ１と参照光Ｙ２との光路差が、それぞれレーザ光Ｘ、Ｙの波長の整数倍の時にもっとも大きくなり、光路差が波長の整数倍と１／２異なる時にもっとも小さくなる。

【0070】

そして、信号処理装置２８は、第１及び第２の光検出手段２４、２６で検出された干渉光Ｘ３、Ｙ３の干渉信号から測定対象物の移動距離（長さ）を以下のように演算する。

【0071】

信号処理装置２８は、それぞれの光検出手段２４、２６で受光された２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ（波長１５５０ｎｍ帯）を用いて、次式２で示される干渉信号強度関数に当てはめる。

【0072】

［式２］
干渉信号強度＝Ｂ×Ｓｉｎ（２×２π／λ×Ｌ＋φ）…式２
ここで、Ｂ：信号強度振幅
λ：計測に使用する波長（６３３ｎｍ、１５５０ｎｍ帯）
Ｌ：測定対象物の移動距離
φ：計測における位相のずれ
これにより、例えば図５に示すように、２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ（波長１５５０ｎｍ帯）について、移動反射体１８の移動量と、干渉信号強度との関係を示す干渉信号の正弦波が得られる。

【0073】

次に、２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ３（波長１５５０ｎｍ帯）について、カウンタでカウントされる干渉信号の波の数と位相とから、移動反射体１８の光学的距離であるＬ１（波長６３３ｎｍ）とＬ２（波長１５５０ｎｍ帯）を求める。

【0074】

そして、下記の式３から幾何学的距離Ｄを求めることによって、測定対象物が取り付けられた移動反射体１８の移動量を求めることができる。

【0075】

［式３］
幾何学的距離Ｄ＝Ｌ２−Ａ（Ｌ２−Ｌ１）…式３
しかし、移動反射体１８の移動方向、大気揺らぎによる光路長の伸縮方向が分からないと、（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができない。そこで、図６に示すように、固定反射体２０と光分割合成手段１６との間にウェッジプリズム２２を設けて、ウェッジプリズム２２を通過する参照光Ｘ２、Ｙ２の波面を、ウェッジプリズム２２に入射する直前の光軸に対してわずかに傾きをもたせるようにする。例えば、波面を１波長分以上傾ける。この場合、２つの参照光Ｘ２、Ｙ２に対して共通のウェッジプリズム２２に通過させると共に、進路を逆向きにすることが好ましい。図１に示す実施の形態では、参照光Ｙ２がウェッジプリズム２２の通過後に固定反射体２０から光分割合成手段１６の側へ進み、参照光Ｘ２は光分割合成手段１６から固定反射体２０を介してウェッジプリズム２２の通過後に光分割合成手段１６の側に進む。

【0076】

このように、２つの参照光Ｘ２、Ｙ２を共通のウェッジプリズム２２に対して逆向きに通過させることで、ウェッジプリズム２２から２つの光検出手段２４、２６までの光路長が異なるので、ウェッジプリズム２２での屈折による位置ずれを２つのレーザ光で合わせることができる。また、参照光Ｘ２、Ｙ２に対して共通のウェッジプリズム２２を使用することで部品点数を削減できる。

【0077】

ちなみに、参照光Ｘ２の光路と参照光Ｙ２の光路とにそれぞれウェッジプリズム２２を配置すると、屈折角のズレが顕著に大きくなり、計測誤差要因になる。

【0078】

また、光検出手段２４、２６は、光分割合成手段１６で干渉し、干渉光Ｘ３、Ｙ３の光軸に直交し且つ干渉縞の形成方向に所定間隔に配置された複数のフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄ（例えば４つ）を有し、所定角度（例えば９０°）ずつ位相のずれた複数相（例えば４相）の信号を検出できるように構成されている。

【0079】

これにより、ウェッジプリズム２２を通過した参照光Ｘ２、Ｙ２による干渉光Ｘ３、Ｙ３は明暗がa、ｂ、ｃ、ｄのディテクタで段々とずれて、４つのフォトディテクタａ、ｂ、ｃ、ｄは順次９０°の位相が異なるＡ^＋相、Ｂ^＋相、Ａ⁻相、Ｂ⁻相の４相からなる正弦波信号を検出することができる。

【0080】

そして、図７に示すように、検出した正弦波信号を信号処理して矩形波に変換する。これにより、矩形波に変換されたＡ相とＢ相の立ち上がりの位相ずれ方向を検出することで移動反射体１８の移動方向を把握することができ、Ａ相とＢ相の膨らみ方向を検出することで大気揺らぎによる光路長の伸縮方向を把握することができる。

【0081】

図７（Ａ）は移動反射体１８が正方向に移動したときのＡ相とＢ相との矩形波の関係を示す図であり、図７（Ｂ）は移動反射体１８が逆方向に移動したときのＡ相とＢ相との関係を示す矩形波の図である。

【0082】

このように、２つの光検出手段２４、２６で検出された２つの干渉信号Ｘ（波長６３３ｎｍ）、Ｙ（波長１５５０ｎｍ帯）について、４分割の光検出手段２４、２６でそれぞれ検出し、信号処理装置２８で上記の信号処理を行うことによって、Ｌ１とＬ２との正負関係が分かる。

【0083】

したがって、得られた干渉信号を距離（長さ）情報に演算して移動反射体１８の移動量を求めることができるので、測定対象物の移動距離を計測することができる。即ち、２色干渉法を用いた計測装置の計測方法を上記の如く構成することで、従来の問題点であった「計測方法の具体化の問題」を解決することができる。

【0084】

また、上記の如く構成された２色干渉法を用いた計測装置１０は、以下の構成を取ることによって、実装置として十分に使用可能な高さまで計測精度を向上させることができる。

【0085】

２色干渉法によって測定対象物の移動距離を計測するには、測定対象物に取り付けられる移動反射体１８の移動量である幾何学的距離Ｄを精度良く求めることが重要になる。

【0086】

そして、幾何学的距離Ｄは上記したように次式３で表される。

【0087】

［式３］
Ｄ＝Ｌ２−Ａ（Ｌ２−Ｌ１）…式３
ここでＡ＝（ｎ１−１）／（ｎ２−ｎ１）で表され、温度や気圧等にほとんど依存しない定数であり、この係数Ａが数十〜数百となる。

【0088】

Ｌ１＝ｎ１＊Ｄ（レーザ光Ｘでの測定光路長又はレーザ光Ｙでの測定光路長）
Ｌ２＝ｎ２＊Ｄ（レーザ光Ｘでの測定光路長又はレーザ光Ｙでの測定光路長）
ｎ１＝ｆ１（Ｔ、Ｐ、ｈ、ｃ、λ_１）…レーザ光Ｘの大気の屈折率
ｎ２＝ｆ２（Ｔ、Ｐ、ｈ、ｃ、λ_２）…レーザ光Ｙの大気の屈折率
Ｔ：温度、Ｐ：気圧、ｈ：湿度、ｃ：ＣＯ_２濃度、λ_１：レーザ光Ｘの波長、λ_２：レーザ光Ｙの波長
上記式３から分かるように、式３の測定光路差（Ｌ２−Ｌ１）を小さくすることが計測装置として使用可能な計測精度まで上げる上で不可欠である。

【0089】

そこで、本発明の実施の形態では、式３の測定光路差（Ｌ２−Ｌ１）を小さくするために、主として次の点を改良した。

【0090】

〈１〉本実施の形態では、周波数安定度が１０^−８より高精度であって、波長が異なるレーザ光を出射する２種類のレーザ光源として、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２と、波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源１４とを設けるようにした。

【0091】

図８は、２種類のレーザ光源のうち、一方のレーザ光源を波長λ_１が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２とした場合、他方のレーザ光源の波長λ_２と係数Ａとの関係を示した図である。そして、点線がＨｅＮｅレーザ光源１２の６３３ｎｍの波長位置である。

【0092】

図８から分かるように、他方のレーザ光源の波長がＨｅＮｅレーザ光源の６３３ｎｍの波長位置から離れるにしたがって係数Ａが小さくなる。他方のレーザ光源の波長としては、５００ｎｍ以下の場合と、１０００ｎｍ以上（図８では最大２０００ｎｍまで示す）の場合において、係数Ａが約１００以下となる。即ち、一方のレーザ光源として、従来から周波数安定度の良いレーザ光源として知られていたＨｅＮｅレーザ光源１２を使用した場合には、他方のレーザ光源としては、ＨｅＮｅレーザ光源の波長の６３３ｎｍよりも１００ｎｍ以上小さい波長のものか、もしくは４００ｎｍ以上大きい波長のものを使用することで係数Ａを１００以下に小さくできる。

【0093】

具体的には、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光源１２と波長が１５５０ｎｍ帯の半導体レーザ光源１４との２種類のレーザ光源を設けることで、係数Ａを１００以下にすることができる。

【0094】

また、半導体レーザ光源１４に温度制御装置３０を設けて周波数安定度を上げるようにしたので、価格的にも低価格で周波数安定度の高い半導体レーザ光源１４を構築することができる。

【0095】

これにより、従来の課題であった「周波数安定度の良い２種類のレーザ光源の問題」を解決することができる。

【0096】

〈２〉本実施の形態では、レーザ光が自己補償するという２色法の特徴を利用して２つのレーザ光Ｘ、Ｙを２光軸系として構成した。即ち、本発明は２色干渉法による干渉光学系を、１光軸系（同軸系）ではなく２光軸系にしたことによって、計測精度を向上させたことに大きな特徴がある。

【0097】

図９は、従来から２色干渉法で使用されていたダイクロイックミラーを用いて１光軸系の計測装置１００を構成した場合である。図１と同じ部材には同符号を付して説明する。

【0098】

２つのレーザ光源１２、１４から出射したレーザ光Ｘ、Ｙは、第１のダイクロイックミラー５６によって同じ光軸上にアライメントされた後、光分割合成手段１６に入射する。光分割合成手段１６に入射したレーザ光Ｘ＋Ｙは、光分割合成手段１６で移動反射体１８への測定光Ｘ１＋Ｙ１と固定反射体２０との参照光Ｘ２＋Ｙ２とに分割される。

【0099】

移動反射体１８の中央部に入射した測定光Ｘ１＋Ｙ１は、入射方向とは逆方向に反射されて光分割合成手段１６に入射すると共に、固定反射体２０の中央部に入射した参照光Ｘ２＋Ｙ２は、入射方向とは逆方向に反射されて光分割合成手段１６に入射する。

【0100】

そして、測定光Ｘ１＋Ｙ１と参照光Ｘ２＋Ｙ２とが光分割合成手段１６で重ね合わされて干渉光Ｘ３＋Ｙ３を形成する。干渉光Ｘ３＋Ｙ３は、第２のダイクロイックミラー５８によって、レーザ光Ｘとレーザ光Ｙとに分離されて第１の検出器５２と第２の検出器５４とに受光された後、信号処理装置２８に出力される。

【0101】

図９の構成で２色干渉法を用いた計測装置１００を構成する場合、ダイクロイックミラー５６で２つのレーザ光Ｘ、Ｙを同軸上にアライメントすることは極めて難しく、アライメント誤差が測定光路長の誤差になる。更にはダイクロイックミラー５６が温度ドリフト等により変形・変位すると光軸が変わってしまうので、ダイクロイックミラー５６を透過するレーザと、反射するレーザとを同軸上にアライメントすることは難しい。

【0102】

これに対して、本発明の実施の形態のように、光分割合成手段１６から光検出手段２４、２６までを２光軸系とすることによってレーザ光Ｘとレーザ光Ｙとをそれぞれの光軸に個別にアライメントすることができ、精度よくアライメントできる。したがって、ダイクロイックミラー５６を使用して１光軸系（同軸系）とする場合に比べて２つのレーザ光Ｘ、Ｙの測定光路差（Ｌ２−Ｌ１）を顕著に小さくできる。これにより、従来の課題であった「光軸アライメントの問題」を解決することができる。

【0103】

この場合、２光軸系を近接した平行な光軸とすることで同じ大気環境を通過させることができ、しかも２色干渉法は光軸系独自で自己補償することができるので、干渉計周囲の大気揺らぎの影響は極めて小さくすることができる。

【0104】

更には２光軸系とすることによって、上記したように、光分割合成手段１６と、移動反射体１８及び固定反射体２０との間を進むレーザ光Ｘとレーザ光Ｙとは同一の光路で逆進するので、往路と復路の相対評価として現れ、互いに打ち消しあうようにすることもでき、計測精度が向上する。

【0105】

また、移動反射体１８及び固定反射体２０としてＣＣＰを使用した例で説明すると、１光軸系の場合には、同軸上に光を戻すためにＣＣＰの中心に光を当てる必要がある。そして、ＣＣＰの中心からずれると、ミラーの突き合わせ部分（直角部分）で光が戻ってこないところができてしまう。これにより、第１の検出器５２及び第２の検出器５４に対して模様（例えば３本のスジ）ができてしまい、理想的な正弦波が得られなくなり、計測誤差になる。

【0106】

これに対して、２光軸系の場合には、図１及び図４から分かるようにＣＣＰのコーナ部分の左右の２つの辺を使用して光を戻すことができるので、理想的な正弦波を得ることができる。これにより、１光軸系におけるような上記問題を解消でき、高い計測精度を得ることができる。

【0107】

距離計測のシミュレーションの一例として、気温２０±０．５℃、気圧１０１２５０±５０Ｐａの大気（空気）条件で、１ｍの空間距離を以下の２つの計測方法で計測した場合である。

【0108】

１つ計測方法は、周波数安定度に優れたＨｅＮｅレーザ光源（周波数安定度１０^−９）の１色干渉法で計測装置を構築した場合であり、その計測精度は６．１０６×１０^−７となった。

【0109】

これに対して、図１で示した本発明の実施の形態のようにＨｅＮｅレーザ光源１２と半導体レーザ光源１４の２色干渉法で計測装置を構築した場合の計測精度は±４．３３２×１０^−８（係数Ａ＝８４．１４５）となった。

【0110】

一方、図１に示した光分割合成手段１６は、図１０に示すような形態でもよい。

【0111】

すなわち、図１に示した光分割合成手段１６は、図１０に示すようにレーザ光を透過する光透過材料８０Ｌと光透過材料８０Ｒとレーザ光を分割する光分割材料８０Ｍとを構成要素として含む光分割合成手段でもよい。図１０の光分割合成手段１６は、固定反射体２０と光分割合成手段１６の間の挿入されているウェッジプリズム２２のレーザ光Ｘ（参照光Ｘ２）とレーザ光Ｙ（参照光Ｙ２）の屈折率の温度係数の異なることでの温度変化による誤差を補正するため、移動反射体１８の方向に光透過材料８０Ｒの厚さをウェッジプリズム２２の厚さ（ｔ）の、例えば半分（ｔ／２）だけ厚くしている。

【0112】

この方法はウェッジプリズム２２だけでなく、ガラス材料等の空気以外のレーザ光路の温度による屈折率変化やレーザ光Ｘとレーザ光Ｙに対する屈折率の温度係数の違いによる誤差を補正するのに有効である。

【0113】

すなわち、ウェッジプリズム２２の温度変化に起因する参照光Ｘ２、Ｙ２の屈折率変化を、光分割合成手段１６の温度変化に起因する測定光の屈折率変化によって相殺できる。よって、温度変化に起因する測定誤差の発生を防止できる。

【0114】

なお、光透過材料８０Ｒを固定反射体２０の方へ厚くしたり、大きくしたりするのではなく、光透過材料８０Ｌと光透過材料８０Ｒの向かい合う面をスライドさせたり、光透過材料８０Ｌを小さくしたりして、レーザ光が移動反射体１８へ向かう側とレーザ光が固定反射体２０へ向かう側への透過材料を通過する長さを調整する方法でもよい。これに対して、ウェッジプリズム２２に使用している光透過材料とほぼ同等の光透過材料を別途設置して補正することも考えられるが、この場合は、光分割合成手段１６と前記光透過材料との間で多重反射が起こり、誤差となるので好ましくない。

【0115】

つまり、ウェッジプリズム２２と熱膨張係数が同一（同一材料：石英、硼珪酸ガラス（ＢＫ７））の透過型の光学部材であって、ウェッジプリズム２２の厚さの半分の厚さの光学部材を、光分割合成手段１６の測定光出射面（入射面）に取り付ける方法もある。しかしながら、この相殺方法の場合には、前記光学部材によって測定光に迷光、散乱光が発生し、測定誤差が大きくなるという問題がある。これに対して、本態様は、光分割合成手段１６の厚さで対応したので、測定光に迷光、散乱光は発生せず、ウェッジプリズム２２の温度変化に起因する参照光の屈折率変化を合理的に相殺できる。

【0116】

一方、図１に示した２色干渉計測装置１０は、図１１に示すように、強度分布成型素子（第１の強度分布成型素子、及び第２の強度分布成型素子）８３、８３を含めた構成が好ましい。これは、レーザ光Ｘ、Ｙは光ファイバ３２、３６やコリメータレンズ３４、３８からの出力後、レーザ光進行方向に対する垂直断面において、強度の分布がガウシアン分布になり（図１２参照）、光検出手段２４、２６において干渉光Ｘ３、Ｙ３の干渉縞の強度が理想的な正弦波からずれてしまうために、誤差となる。ところが、強度分布成型素子８３により、レーザ光進行方向に対する垂直断面において、トップフラットな強度分布にすることにより、光検出手段２４、２６において干渉光Ｘ３、Ｙ３の干渉縞の強度がほぼ理想的な正弦波となり、誤差を低減できる（図１３参照）。

【0117】

また、ガウシアン分布では、光検出手段２４、２６の置く位置をガウシアンのピーク位置で何とか調整しなければいけないのに対し、強度分布成型素子８３により、トップフラットな強度分布にすることにより光検出手段２４、２６の置く位置に余裕ができるためアライメントが極めて容易になる。

【0118】

光分割合成手段１６と移動反射体１８との間及び、光分割合成手段１６と固定反射体２０との間のレーザ光Ｘとレーザ光Ｙのアライメントは前記レーザ光可視化装置にてレーザ光を可視化しながら、調整するので、レーザ光の中心が判別しやすいガウシアン分布で観察できるよう強度分布成型素子８３は取り外し可能なことが望ましい。

【0119】

次に、本発明の応用例として、角度を計測する２色干渉計測装置２００について説明する。

【0120】

［角度を計測する２色干渉計測装置］
図１４は、２色干渉法を用いて角度（ヨーイング、ピッチング）を計測する計測装置２００を構成した実施の形態である。

【0121】

角度を計測する２色干渉計測装置２００は、図１で示した２光軸系の光干渉機構を少なくとも２系統設け、それぞれの系統ごとに設けられた移動反射体を、垂直方向及び／又は水平方向に配列させて測定対象物に設け、信号処理装置で計算された移動反射体の移動量から、角度演算装置によって測定対象物の傾き角度を演算するように構成したものである。なお、図１で示したものと同じ部材には、同じ符号を付して説明するが、第１系統は数字の後にＡを付し、第２系統は数字の後にＢを付して区別する。

【0122】

図１５は、移動装置４８の直動ステージ５０に垂直方向に間隔を置いて２つの移動反射体１８Ａ、１８Ｂ（例えばＣＣＰ）を並設し、測定対象物（図示せず）の垂直方向の傾き角度を計測するようにした例である。

【0123】

なお、直動ステージ５０に垂直方向に２つの移動反射体１８Ａ、１８Ｂを設け、水平方向に１つの移動反射体（図示せず）を設ければ、測定対象物の垂直方向及び水平方向の傾き角度を計測することができる。

【0124】

図１５に示すように、ＨｅＮｅレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｘは、光ファイバ３２及び第１のコリメータレンズ３４を介して進み、第１光分割合成手段６０で第１系統Ａと第２系統Ｂとに分割される。同様に、半導体レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｙは、光ファイバ３６及び第２のコリメータレンズ３８を介して進み、第２光分割合成手段６２で第１系統Ａと第２系統Ｂに分割される。

【0125】

なお、レーザ光Ｘのうち第１系統Ａをレーザ光Ｘ_Ａと言い、第２系統Ｂをレーザ光Ｘ_Ｂと言う。同様に、レーザ光Ｙのうち第１系統Ａをレーザ光Ｙ_Ａと言い、第２系統Ｂをレーザ光Ｙ_Ｂと言う。そして、第１系統Ａのレーザ光Ｘ_Ａ、Ｙ_Ａと第２系統Ｂのレーザ光Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂとは、平行な２系統の光学系を形成する。

【0126】

（第１系統の構成）
第１系統Ａにおけるレーザ光Ｘ_Ａは、ミラー６４で反射した後、光分割合成手段１６Ａに入射し、光分割合成手段１６Ａで２つのレーザ光である測定光Ｘ_Ａ１と参照光Ｘ_Ａ２に分けられる。

【0127】

次に、測定光Ｘ_Ａ１は移動反射体１８Ａに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ａに入射する。参照光Ｘ_Ａ２は固定反射体２０Ａに入射し、そこで逆方向に反射されて後、ウェッジプリズム２２Ａを介して再び光分割合成手段１６Ａに入射する。移動反射体１８Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した測定光Ｘ_Ａ１と、固定反射体２０Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した参照光Ｘ_Ａ２は、光分割合成手段１６Ａで重なり合って干渉光Ｘ_Ａ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４Ａを介して第１の光検出手段２４Ａに入射する。

【0128】

同様に、第１系統Ａにおけるレーザ光Ｙ_Ａは、ミラー６６で反射した後、光分割合成手段１６Ａに入射し、光分割合成手段１６Ａで２つのレーザ光である測定光Ｙ_Ａ１と参照光Ｙ_Ａ２に分けられる。

【0129】

次に、測定光Ｙ_Ａ１は移動反射体１８Ａに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ａに入射する。参照光Ｙ_Ａ２は、ウェッジプリズム２２Ａを介して固定反射体２０Ａに入射し、そこで逆方向に反射された後、再び光分割合成手段１６Ａに入射する。移動反射体１８Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した測定光Ｙ_Ａ１と、固定反射体２０Ａから光分割合成手段１６Ａに入射した参照光Ｙ_Ａ２は、光分割合成手段１６Ａで重なり合って干渉光Ｙ_Ａ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６Ａを介して第２の光検出手段２６Ａに入射する。

【0130】

上記２つのレーザ光Ｘ_Ａ、Ｙ_Ａは、光分割合成手段１６Ａから２つの光検出手段２４Ａ、２６Ａまで、それぞれの光軸を有すると共に平行で近接した２光軸系の光干渉機構として構成される。また、前記した２光軸系の光干渉機構において、レーザ光Ｘ_Ａとレーザ光Ｙ_Ａとは、逆向きの光路を形成する。

【0131】

そして、第１系統Ａの信号処理装置２８Ａは、第１及び第２の光検出手段２４Ａ、２６Ａで検出された干渉光Ｘ_Ａ３、Ｙ_Ａ３の干渉縞から測定対象物の移動距離（長さ）を演算する。演算する方法は、図１の移動距離（長さ）計測する計測装置１０の場合と同様であるので説明は省略する。

【0132】

（第２系統の構成）
第２系統におけるレーザ光Ｘ_Ｂは、光学系光分割合成手段１６Ｂで２つのレーザ光である測定光Ｘ_Ｂ１と参照光Ｘ_Ｂ２に分けられる。

【0133】

次に、測定光Ｘ_Ｂ１は移動反射体１８Ｂに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。参照光Ｘ_Ｂ２は固定反射体２０Ｂに入射し、そこで逆方向に反射されて後、ウェッジプリズム２２Ｂを介して再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。移動反射体１８Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した測定光Ｘ_Ｂ１と、固定反射体２０Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した参照光Ｘ_Ｂ２は、光分割合成手段１６Ｂで重なり合って干渉光Ｘ_Ｂ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４４Ｂを介して第１の光検出手段２４Ｂに入射する。

【0134】

同様に、第２系統におけるレーザ光Ｙ_Ｂは、２つのミラー６８、７０を介して光分割合成手段１６Ｂで２つのレーザ光である測定光Ｙ_Ｂ１と参照光Ｙ_Ｂ２に分けられる。

【0135】

次に、測定光Ｙ_Ｂ１は移動反射体１８Ｂに入射し、そこで逆方向に反射されて再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。参照光Ｙ_Ｂ２は、ウェッジプリズム２２Ｂを介して固定反射体２０Ｂに入射し、そこで逆方向に反射された後、再び光分割合成手段１６Ｂに入射する。移動反射体１８Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した測定光Ｙ_Ｂ１と、固定反射体２０Ｂから光分割合成手段１６Ｂに入射した参照光Ｙ_Ｂ２は、光分割合成手段１６Ｂで重なり合って干渉光Ｙ_Ｂ３を生成した後、レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）４６Ｂを介して第２の光検出手段２６Ｂに入射する。

【0136】

上記２つのレーザ光Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂは、光分割合成手段１６Ｂから光検出手段２４Ｂ、２６Ｂまで、それぞれの光軸を有すると共に平行で近接した２光軸系の光干渉機構として構成される。また、前記した２光軸系の光干渉機構において、レーザ光Ｘ_Ｂとレーザ光Ｙ_Ｂとは、逆向きの光路を形成する。

【0137】

そして、第２系統Ｂの信号処理装置２８Ｂは、第１及び第２の光検出手段２４Ｂ、２６Ｂで検出された干渉光Ｘ_Ｂ３、Ｙ_Ｂ３の干渉縞から測定対象物の移動距離（長さ）を演算する。演算する方法は、図１の移動距離（長さ）計測する計測装置１０の場合と同様であるので説明は省略する。

【0138】

次に、角度演算装置７２は、第１系統Ａの信号処理装置２８Ａで得られた移動反射体１８Ａの移動量と、第２系統Ｂの信号処理装置２８Ｂで得られた移動反射体１８Ｂの移動量とから、以下の式３を用いて測定対象物の傾き角度を演算する。

【0139】

図１６は、測定対象物に取り付けられた移動反射体１８Ａ、１８Ｂの面と垂直軸との間で角度θ傾いている場合であり、式４に、Ｄ_Ａ、Ｄ_Ｂ、Ｄ_Ｍを代入することによって、測定対象物の傾き角度θを演算できる。

【0140】

［式４］
θ＝ｔａｎ^−１×［（Ｄ_Ａ−Ｄ_Ｂ）／Ｄ_Ｍ］…式４
ここで、θ：傾き角度
Ｄ_Ａ：第１系統Ａの移動反射体１８Ａの移動量
Ｄ_Ｂ：第２系統Ｂの移動反射体１８Ｂの移動量
Ｄ_Ｍ：平行な光軸を形成する第１系統Ａのレーザ光と第２系統Ｂのレーザ光の中心軸間の距離
このように、本実施の形態のように構成された角度を計測する２色干渉計測装置２００によれば、測定対象物の傾き角度（ヨーイング、ピッチング）を高精度に計測することができる。また、２色干渉法では大気の揺らぎの影響を補償できるので、第１系統Ａのレーザ光と第２系統Ｂのレーザ光の中心軸間の距離（移動反射体Ａと移動反射体Ｂの間隔）を拡げて、角度分解能を上げることも可能である。ちなみに、１色（１つのレーザ光）の距離計測装置を２台並べた角度計測装置の場合や、１色で移動反射体１８Ａに光分割合成手段で２つに分岐した一方のレーザ光を、移動反射体１８Ｂにもう一方のレーザ光を当てるような角度計測装置などの場合には、移動反射体Ａと移動反射体Ｂの間隔を広げると移動反射体Ａの側と移動反射体Ｂの側で、レーザ光の大気に対する揺らぎ方が異なってくるため計測誤差が大きくなる。

【0141】

角度計測のシミュレーションとして、気温２０±０．５℃、気圧１０１２５０±５０Ｐａの大気（空気）条件で且つ２つのレーザ光の中心軸間の距離を３０ｍｍ、第１系統の光分割合成手段１６Ａから固定反射体２０Ａまでの空間距離と、移動反射体１８Ａまでの空間距離の差が１ｍで、第２系統の光分割合成手段１６Ｂから固定反射体２０Ｂまでの空間距離と、移動反射体１８Ｂとの空間距離の差が１ｍとした条件で、上記した１色（１つのレーザ光）の距離計測装置を２台並べた従来の角度計測装置と、図１５の本実施の形態の２色干渉計測装置の場合とで、角度計測の精度がどのように異なるかを比較した。

【0142】

その結果、角度計測装置は、距離精度が±６．１０６×１０^−７、角度精度が±２．３３×１０^−３°となった。

【0143】

これに対して、本発明の実施の形態の２色干渉計測装置の場合には、距離精度が±４．３３２×１０^−８、角度精度が±１．６５×１０^−４°（係数Ａ＝８４．１４５）となった。

【0144】

以上説明したように、２色干渉法を用いて距離（長さ）や角度計測する本実施の形態の計測装置によれば、従来の問題点（課題）であった「大気揺らぎの問題」、「波長の選択性及び高価格の問題」、「光軸アライメントの問題」、及び「計測方法の具体化の問題」の全て解決することができる。

【0145】

これにより、低コストで高い計測精度を得ることができ、実装置として十分に満足する２色干渉法を用いた計測装置を提供することができる。

【0146】

また、本実施の形態の計測装置によれば、大気揺らぎ（温度、気圧、湿度等）の影響を補償できるので、野外のような環境外乱の大きい場所でも高精度な計測が可能である。

【0147】

また、図１５のように構成された計測装置であれば、距離、角度、真直度を計測することができる。

【符号の説明】

【0148】

１０、２００…２色干渉計測装置、１２…ＨｅＮｅレーザ光源、１４…半導体レーザ光源、１６、１６Ａ、１６Ｂ…光分割合成手段、１８、１８Ａ、１８Ｂ…移動反射体、２０、２０Ａ、２０Ｂ…固定反射体、２２、２２Ａ、２２Ｂ…ウェッジプリズム、２４、２４Ａ、２４Ｂ…第１の光検出手段、２６、２６Ａ、２６Ｂ…第２の光検出手段、２８、２８Ａ、２８Ｂ…信号処理装置、３０…温度制御装置、３２…光ファイバ、３４…第１のコリメータレンズ、３６…光ファイバ、３８…第２のコリメータレンズ、４０、４２…ミラー、４４、４４Ａ、４４Ｂ、４６、４６Ａ、４６Ｂ…レンズ、４８…移動装置、５０…直動ステージ、５２…第１の検出器、５４…第２の検出器、５６、５８…ダイクロイックミラー、６０、６２…光分割合成手段、６４、６６、６８、７０…ミラー、８０Ｌ、８０Ｒ…光透過材料、８０Ｍ…光分割材料、８１…光可視化膜、８２…光透過材料、８３…強度分布成型素子、８４…逆進レーザ光可視化装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図14】

【図15】

【図12】

【図13】