レーザ反射体
【課題】反射光を常に入射光と平行な方向へ効率よく戻すことができるレーザ反射体を提供すること。
【解決手段】レーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズ５および球体４と、球体４の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体１２と、これらを収納する筺体７を備えており、レーザ光をレンズ５と球体４で１点に集光させ、被覆体１２で反射させる。レンズ５の中心と焦点Ｆ１をＰ軸上に配置して、球体４の中心を、レンズ５の中心と焦点Ｆ１を結ぶ線上に配置する。被覆体１２は、焦点Ｆ１に近い方の半球面上の領域で、半球面とＰ軸との交点Ｑ１を少なくとも含む領域を覆う。レンズ５と球体４の中心間距離Ｓ１、球体４の屈折率ｎ１を、レンズ５により焦点Ｆ１に向けて集光されるレーザ光が球体４で屈折して被覆体１２で覆われた交点Ｑ１に集光するように設定する。
【解決手段】レーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズ５および球体４と、球体４の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体１２と、これらを収納する筺体７を備えており、レーザ光をレンズ５と球体４で１点に集光させ、被覆体１２で反射させる。レンズ５の中心と焦点Ｆ１をＰ軸上に配置して、球体４の中心を、レンズ５の中心と焦点Ｆ１を結ぶ線上に配置する。被覆体１２は、焦点Ｆ１に近い方の半球面上の領域で、半球面とＰ軸との交点Ｑ１を少なくとも含む領域を覆う。レンズ５と球体４の中心間距離Ｓ１、球体４の屈折率ｎ１を、レンズ５により焦点Ｆ１に向けて集光されるレーザ光が球体４で屈折して被覆体１２で覆われた交点Ｑ１に集光するように設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射手段からのレーザ光を同じ照射手段に向けて反射するレーザ反射体に関し、特に、レーザ干渉測長機に用いるレーザ反射体の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の寸法を高分解、非接触に測定することができるマイケルソン干渉計を利用したレーザ干渉測長機が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１記載のレーザ干渉測長機は、図１１に示すように、レーザ光源１５、干渉計本体２、および被測定物を載せる移動台（不図示）を有し、レーザ光源１５からのレーザ光をビームスプリッタ２１で参照光と測定光とに分割し、移動台に取り付けられた移動鏡（レーザ反射体）１６で測定光を反射し、再びビームスプリッタ２１で固定鏡（固定平面反射体）２２からの測定光と合成させ、生じた干渉光を検出器２３で受光する。移動台を測定光の光軸方向に移動させると、移動台がレーザ光の波長の半分（λ／２）移動する毎に測定光と参照光の光路差がλとなり、λ／２を周期とする正弦的な光強度変化が検出器で検出される。つまり、移動台の移動量に応じて干渉縞が動くので、干渉縞の変化を計数することにより、移動台の移動量が得られる。移動台を被測定物の長さ寸法に応じて移動させれば、被測定物の長さ寸法をナノメートルレベルで読み取ることができる。
【０００３】
レーザ干渉測長機で長さを測る場合、移動鏡１６で反射した測定光をビームスプリッタ２１へ正確に戻すため、従来、移動鏡１６には平面反射体ではなく再帰反射体が用いられていた。再帰反射体としては、例えば直角三面鏡やコーナキューブプリズムがある。
移動台に取り付けられた移動鏡１６の移動量、つまり被測定物の測長距離が長くなるにつれて、移動鏡１６の姿勢が変化することがある。それは、移動台にピッチング（pitching）、ヨウイング（yawing）、ローリング（rolling）が発生するためである。移動鏡１６として再帰反射体を用いれば、移動台の姿勢が変化しても測定光の反射方向が変わらず、反射光を常に入射光と平行な方向へ戻すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１１５７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
再帰反射体として用いられてきた直角三面鏡やコーナキューブプリズムは、図１２に示すように、直交する３平面Ａ〜Ｃによって構成され、３つのエッジ（交線）Ｄ〜Ｆ、およびコーナーポイントＧと呼ばれる３平面の交点を有する。直角三面鏡やコーナキューブプリズムの加工上および使用上の観点から、エッジＤ〜ＦとコーナーポイントＧは、図のように有限の寸法で削り落とされている。これは、直角三面鏡やコーナキューブプリズムの加工を容易にして、安全に取り扱えるようにするためである。
【０００６】
しかし、移動鏡１６の３つのエッジＤ〜Ｆとその虚像によってレーザ光の反射光が６分割されて干渉計本体２へ戻され、反射光の断面に６分割の割れが発生してしまう。また、入射するレーザ光が削り落とされたエッジＤ〜ＦおよびコーナーポイントＧで拡散するため、入射光に対する反射光の強度が常に１０％〜２０％の割合で減衰してしまう。従来の直角三面鏡やコーナキューブプリズムをレーザ干渉測長機の移動鏡（レーザ反射体）１６に用いた場合、以上のような課題を伴っていた。レーザ干渉測長機に限らず、レーザ光を使用する精密測定装置や精密加工装置においても、装置に設けられる照射手段からのレーザ光を再帰反射させるレーザ反射体に共通する課題であった。
【０００７】
本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は、第一に、レーザ光の照射手段に対してレーザ反射体の姿勢が相対的に変化しても、反射光を常に入射光と平行な方向へ戻すことができるレーザ反射体を提供することにある。
第二に、直角三面鏡やコーナキューブプリズムをレーザ反射体として用いた場合のような反射光の断面の６分割の割れが生じず、かつ、反射光の強度の減衰を低減できるレーザ反射体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために本発明の請求項１に係るレーザ反射体は、
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズと前記球体で１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させる。
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置される。
前記球体の中心は、前記レンズの中心と当該レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ１）とを結ぶ線上で、かつ、前記レンズの焦点（Ｆ１）が当該球体の外となるように配置される。
前記被覆体は、前記レンズの焦点（Ｆ１）に近い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ１）を少なくとも含む領域を覆う。
前記レンズの中心と前記球体の中心との距離（Ｓ１）、および、前記球体の屈折率（ｎ１）は、前記レンズによって前記焦点（Ｆ１）に向けて集光されるレーザ光を、前記球体で屈折させて、かつ当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ１）に集光させるように設定される。
前記交点（Ｑ１）に集光されたレーザ光を、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すとともに、前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記交点（Ｑ１）から外れた前記球体の表面上の点に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とする。
なお、照射手段は、例えばレーザ干渉測長機に本発明のレーザ反射体を用いる場合であれば、レーザ反射体に測定光を入射させる干渉計本体（ビームスプリッタ）に相当する。そして、レーザ反射体は、レーザ干渉測長機に設けられた移動台に取り付けられ、移動台の移動方向に移動自在に設けられる。
【０００９】
本発明の請求項２に係るレーザ反射体は、
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズで前記球体の内部の１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させる。
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置される。
前記球体の中心は、前記レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ２）に一致する。
前記被覆体は、前記レンズから遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ａ２）を中心に、前記レーザ光が前記球体を照射する面積と略同じ面積を少なくとも含む領域を覆う。
前記レンズによって前記球体の内部の前記焦点（Ｆ２）に集光されるレーザ光を、前記焦点（Ｆ２）から所定の領域まで広がった状態で前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻す。これとともに、前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記焦点（Ｆ２）から外れた焦点面上の点（Ｑ２’）に集光させて、さらに所定の領域まで広がった状態にして前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とする。
【００１０】
また、前記支持部材には、前記照射手段からのレーザ光の直径を制限する円形の窓が形成されていることが好ましい。さらに、前記支持部材は、前記光軸（Ｐ軸）に略平行な方向に移動自在な移動台に取付け可能に設けられ、当該支持部材には、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とに相当する位置にそれぞれ取付け用の孔が形成され、かつ、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とをそれぞれ表示する表示手段が設けられていてもよい。また、前記被覆体は、銀の反射膜と、この反射膜を外部から覆う保護膜とを有することが好ましい。
【００１１】
また、本発明のレーザ反射体としては、前記レンズおよび前記球体の代わりに、照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられる球体を備え、前記支持部材は、前記球体を保持し、前記被覆体は、前記照射手段から遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ３）を少なくとも含む領域を覆ってもよい。ここで、前記球体の屈折率（ｎ３）はｎ３＝２に設定され、前記球体に入射されるレーザ光を、屈折率ｎ３＝２で屈折させて当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ３）に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に係るレーザ反射体の構成によれば、レンズと球体の各中心を結ぶ線と、レーザ光のＰ軸とが平行な状態を維持されていれば、入射光は常に球体とＰ軸との交点（Ｑ１）の一点に集光される。すると、交点（Ｑ１）にて被覆体を反射した反射光は、球体の中心と焦点（Ｆ１）とを結ぶ線に対して線対象となる光路を通って、レンズから出射する。従って、レーザ反射体からの反射光はＰ軸と平行になる。
一方、レンズおよび球体を保持する支持部材の姿勢が変化して、レンズと球体の各中心を結ぶ線と、レーザ光のＰ軸とが平行でなくなり傾きΔθが生じる場合、入射光はレンズによって軸外焦点（Ｆ１ａ）に向かって集光される。このような場合には、球体にて屈折した入射光が、交点（Ｑ１）から外れた球体表面上の交点（Ｑ１ａ）に集光される。すると、交点（Ｑ１ａ）にて被覆体を反射した反射光は、球体の中心と軸外焦点（Ｆ１ａ）とを結ぶ線に対して線対象となる光路を通って、レンズから出射する。従って、レーザ反射体からの反射光はＰ軸と平行になる。以上の説明で反射光がＰ軸に平行になることが言えるが、レーザ反射体の傾きΔθが大きければ、球体からの反射光の一部がレンズに戻らず反射光の強度が低減してしまうことも生じ得る。従って、傾きΔθの範囲が上記の強度低減が生じない範囲で使用することが好ましい。また、レーザ反射計に用いる場合であれば、充分なＳ／Ｎ比の干渉信号さえ検出できればよいので、僅かな強度低減であれば無視できる。
【００１３】
このように、レーザ光の照射手段に対してレーザ反射体の姿勢が相対的に変化しても、反射光を常に入射光のＰ軸と平行な方向へ戻すことができ、いわゆる再帰反射が可能となる。また、直角三面鏡やコーナキューブプリズムが有するようなエッジがないため、反射光の断面の６分割の割れが生じない。さらに、直角三面鏡やコーナキューブプリズムが有するようなコーナーポイントがないため、コーナーポイントによる反射光の強度の減衰を低減させることができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係るレーザ反射体の構成によれば、レーザ光を球体の内部の１点に集光するので、球体の表面の部分的な傷などの測定への影響を軽減できる。
また、支持部材に照射手段からのレーザ光の直径を制限する円形の窓を設けたことで、レーザ光が円形の窓を通る際、レーザ光のビーム径が制限され、反射光の球面収差を低減できる。
さらに、支持部材に取付け用の孔を形成し、かつ、球体中心、集光点、被覆体の位置をそれぞれ表示する表示手段を設けたので、球体の位置や集光点の位置を確認しながら、レーザ反射体を移動台に容易に取り付けることができる。
また、銀の反射膜およびその保護膜によって被覆体を構成したので、反射による光強度の低下がほとんど生じなくなり、外部からの不注意による傷などを防ぐことができる。
また、レンズと球体との組み合わせの代わりに、屈折率ｎ３＝２の球体を用いてレーザ反射体を構成すれば、前述の発明のレンズが不要となる。従って、レーザ反射体の部品点数が少なくて済み、かつ、球体とレンズとの間の微妙な距離調整作業が要らなくなり、単純に組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るレーザ干渉測長機を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。
【図３】前記レーザ反射体がΔθＹだけ傾斜した場合の入射光と反射光の関係を示 す図であり、入射光の上端部分の光路を説明する図である。
【図４】図３において、入射光の中央部分の光路を説明する図である。
【図５】図３において、入射光の下端部分の光路を説明する図である。
【図６】第２実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。
【図７】前記レーザ反射体がΔθＹだけ傾斜した状態を説明するための図である。
【図８】前記レーザ反射体が傾斜した場合の入射光と反射光の関係を示す図である。
【図９】第３実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施例を示す図である。
【図１１】従来のレーザ干渉測長機の概略構成の説明図である。
【図１２】従来のコーナキューブプリズムのコーナーポイントを拡大した斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜レーザ干渉測長機の構造＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ干渉測長機を示す概略構成図である。
本実施形態のレーザ干渉測長機１は、本体ベース１９、レーザ光源１５、干渉計本体２、被測定物Ｗを載せる移動台１７、移動台１７の駆動機構１８、および、移動台１７に取り付けられたレーザ反射体３を有して構成されている。なお、干渉計本体２は本発明の照射手段として機能する。
【００１７】
レーザ光源１５は、干渉計本体２とは別体で設けられ、所定の波長（λ）のレーザ光を干渉計本体２に供給する。
干渉計本体２は、本体ベース１９上に固定され、図１１で説明した従来の干渉計と同様に、ビームスプリッタ、固定鏡、検出器などの各種光学部材を有して測長に用いる干渉計を構成している。干渉計本体２は、ビームスプリッタで分割した測定光を、図中のＺ軸方向に平行にレーザ反射体３に向けて照射する。この測定光の光軸をＰ軸と呼ぶ。そして、レーザ反射体３で反射して戻ってきた測定光と、図示しない固定鏡を反射した参照光とを合成して生じる干渉光の光強度を検出器で検出する。
【００１８】
移動台１７は、本体ベース１９上の駆動機構１８により水平方向（図中のＺ軸方向）に移動自在に設けられている。
レーザ反射体３は、移動台１７の端部に取り付けられ、移動台１７の移動とともにＺ軸方向に移動する。また、干渉計本体２からの測定光を反射して、干渉計本体に戻す。
レーザ干渉測長機１が被測定物ＷのＺ軸方向の長さ寸法を測定する場合、その長さ寸法に対応する距離だけ移動台１７を移動させる。すると検出される干渉縞が変化するので、干渉縞の変化を光強度のピーク値の累積回数として計数する。これによって移動台１７の移動量、すなわち移動台上の被測定物Ｗの長さ寸法が測定される。
ここで、レーザ反射体３に求められる重要な性能として、干渉計本体２からの測定光を反射して、測定光と平行な反射光を干渉計本体に戻す再帰反射性がある。
例えば、移動台１７が駆動機構１８に設けられたレール上を連続移動する場合、その移動距離が長いほど、移動台１７の姿勢が変化してしまう。この姿勢の変化は、通常、図１に示すように、移動台のピッチング、ヨウイング、ローリングとして説明できる。図１にて、水平なＺ軸と直交するもう一つの水平軸をＹ軸とし、Ｘ軸を垂直な軸とすると、ピッチングはＹ軸周りの移動台１７の揺れ（縦揺れ）を示し、その振れ量をθＹで示す。ヨウイングはＸ軸周りの揺れを示し、振れ量をθＸで示す。ローリングはＺ軸周りの揺れ（横揺れ）を示し、振れ量をθＺで示す。
【００１９】
＜レーザ反射体の構造＞
レーザ反射体３は、図２に示すように、焦点距離ｆ１を持つレンズ５と、屈折率ｎ１の材料で作製された球体４と、レンズ５および球体４を収納する筺体７と、を備える。本発明において球体４などの光学部材の屈折率は、空気（屈折率＝１）に対する比である。
球体４の中心からレンズ５の中心を通る線の延長上には、導光用の窓（開口部）６が形成され、筺体外部からのレーザ光８が窓６を通ってレンズ５に照射されるようになっている。しかも窓６は円形に形成されているので、外部からのレーザ光８が通る際、ビームの直径が制限され、反射光の球面収差を低減できるようになっている。レンズ５と球体４の各中心を結ぶ線を筺体７の収納空間の中心線とすると、レンズ５は、両焦点がこの中心線上となるように筺体７に保持されている。なおレンズ５の両焦点位置は、図２のように筺体７の外側となっても構わない。
【００２０】
球体４の中心は、レンズ５の中心と、窓６側とは反対側の焦点Ｆ１とを結ぶ線上に配置されている。球体４の大きさは、レンズ５の焦点Ｆ１を内部に含まない程度の大きさである。レンズ５と球体４の位置関係は、筺体７によって保持されている。筺体７は本発明の支持部材として機能する。
球体４には、その表面を覆いレーザ光を反射する被覆体１２が形成されている。
被覆体１２は、レンズ５の焦点Ｆ１に近い方の球体５の半球面上の領域で、この半球面と収納空間の中心線との交点Ｑ１を含む領域を覆っている。
【００２１】
ここで、任意の屈折率で製作された球体４を用いる場合には、レンズ５と球体４の中心間距離Ｓ１を適宜設定することによってレーザ反射体３を構成することができる。つまり、レンズ５によって焦点Ｆ１に集光されるレーザ光８ａを、球体４で屈折させて、被覆体１２で覆われた交点Ｑ１に集光させるように、中心間距離Ｓ１を設定すればよい。
一方、筺体７の大きさなどの制約を受けて、予めレンズ５と球体４の中心間距離Ｓ１が決まっている場合には、球体４の屈折率ｎ１を中心間距離Ｓ１に合わせて設定すればよい。この場合でも、球体４に照射されるレーザ光８ａが交点Ｑ１に集光されるようにすることができる。球体４の内部を通って交点Ｑ１に集光されるレーザ光８ｂは、この交点Ｑ１を覆う被覆体１２で反射する。
【００２２】
被覆体１２は、球体５の球面のうち、集光点である交点Ｑ１を中心とする所定領域を覆う銀の反射膜と、この反射膜を保護する保護膜によって構成されている。反射膜として銀の薄膜を用いることで、集光点での反射による光強度の低下がほとんど生じなくなる。また、反射膜の外面を塗装することで保護膜を容易に形成することができる。反射膜を保護膜で覆うことで、外部からの不注意による傷などを防ぐことができる。
【００２３】
＜レーザ反射体を反射するレーザ光の光路＞
以下、レーザ反射体３が、移動台１７（図１参照）に取り付けられて、干渉計本体２からのレーザ光８を反射する場合について図２に基づいて詳しく説明する。
レーザ反射体３は、収納空間の中心線がレーザ光８の光軸（Ｐ軸）と一致するように移動台１７に取り付けられている。図２に示すように、干渉計本体２からのレーザ光８のＰ軸とレーザ反射体３の中心線との平行状態が維持されていれば、レーザ光８は、窓６を通ってレンズ５に入射し、屈折によって焦点Ｆ１に向かって集光する（図中のレーザ光８ａ参照）。そしてレーザ光８ａは、球体４の表面にて屈折率ｎ１で屈折し、球体４の内部を通って交点Ｑ１に集光する（レーザ光８ｂ参照）。交点Ｑ１がレンズ５と球体４の中心線上にあるため、被覆体１２を反射した反射光は、レーザ光８ｃ、８ｄの光路を通って、レンズ５に再入射する。ここで、レーザ光８ｃ、８ｄの光路は、レーザ反射体３の中心線に対してレーザ光８ａ、８ｂの光路と線対象となる。そして、レーザ光８ｄはレンズ５にてＰ軸と平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
【００２４】
次に、移動台３の姿勢の変化により集光点である交点Ｑ１の位置がずれた場合について説明する。具体例として図１に示す移動台１７がＹ軸周りに振れた場合について、図３〜５を用いて詳しく説明する。図３〜５では、縦揺れによりレーザ反射体３がレーザ光のＰ軸に対して傾き、レーザ反射体３の中心線とＰ軸とが所定の角度ΔθＹで交差しているとする。
【００２５】
図３は、レーザ光の図中の上端部分を進むレーザ光８の光路を示す。
干渉計本体２からのレーザ光８は、レンズ５で屈折したあと、軸外焦点Ｆ１ａに向かって集光する（図中のレーザ光８ｅ参照）。軸外焦点Ｆ１ａは、焦点を含む焦点面上の点である。そしてレーザ光８ｅは、球体４の表面にて屈折率ｎ１で屈折してレーザ光８ｆとなり、球体４の内部を通って交点Ｑ１ａに集光する。交点Ｑ１ａは、交点Ｑ１から外れた球面上の点であり、被覆体１２に覆われている。交点Ｑ１ａで被覆体１２を反射した反射光は、レーザ光８ｇ、８ｈの光路を通って、レンズ５に再入射する。ここで、レーザ光８ｇ、８ｈは、球体４の中心と軸外焦点Ｆ１ａを結ぶ線に対してレーザ光８ｅ、８ｆと線対象となる。レーザ光８ｈはレンズ５にてＰ軸と平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
図４、図５は、レーザ光の図中の中央部分および下端部分を進むレーザ光８の光路をそれぞれ示す。図３と同様に、レーザ光８はレンズ５により軸外焦点Ｆ１ａに向かって集光し、球体４の表面にて屈折して、交点Ｑ１ａに収束する。被覆体１２で反射したのち、球体４の表面とレンズ５にて屈折して、Ｐ軸と平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
【００２６】
以上のように、図３〜図５には、レーザ反射体３全体がΔθＹ傾いたときの入射光の上端側、中心線上、下端側の各光線が対物レンズ５のどの位置に戻ってくるか、の違いを説明している。図３では上端側から入射する光線の反射光が、対物レンズ５の最も下側から戻り、図４では中心線上から入射する光線の反射光が、光軸（Ｐ軸）よりも下側から戻り、図５では下端側から入射する光線の反射光が、Ｐ軸より上側から戻ることを表わす。
レーザ反射体３が対物レンズ５を中心にΔθＹだけ傾くことによって、対物レンズ５が傾くとともに、球体４の中心がＰ軸上から外れる。例えば図３では球体４が対物レンズ５より相対的に下方に移動する。この場合、集光点は図２に示す点Ｑ１より上方の交点Ｑ１ａに位置するが、傾き（ΔθＹ）が小さいため、傾く前とほとんど同じ位置となる。従って、図３のように反射光が対物レンズ５の中心から大きく外れて、反射光強度が減少してしまうということはない。仮に、傾きによって反射光の一部が対物レンズ５からはみ出て反射光強度が減少することがあっても、実用上、光束全体の戻り光が干渉計本体２で充分なＳ／Ｎ比の干渉信号を検出できさえすればよいので、僅かな強度減少であれば無視できる。
また、図３では、移動する集光点である交点Ｑ１ａが球体４の表面上となると説明したが、正確には次のような説明となる。仮にレーザ光が理想の焦点位置（Ｆ１、Ｆ１ａ）において最小の集光面積となって集光するならば、レーザ反射体３の傾斜によって、交点Ｑ１ａは球体４の表面上ではない。しかし、レーザ光は厳密には一焦点に集光することはなく、所定の焦点深度を有している。よって、レーザ反射体３が傾斜したとしても、ΔθＹが焦点深度内から球体４の表面が外れない程度の微小な傾斜量であれば、交点Ｑ１ａは依然として球体４の表面上になると言える。
【００２７】
このようにレーザ反射体３は、レーザ光をレンズ５と球体４で１点に絞るように工夫されているので、移動台の姿勢の変化に関わらず、入射光のＰ軸と平行な反射光を干渉計本体２に戻すことができる。丁度、レーザ反射体３が再帰反射体として三次元的なキャッツアイの役割を果たす。
このような機能を発揮させる上で重要なパラメータは、球体４とレンズ５との距離Ｓ１である。距離Ｓ１は、球体４の屈折率ｎ１、レンズ５の焦点距離ｆ１、および使用するレーザ光の波長λの３つの関係で決定される。しかし、実際には戻ってきた反射光がＰ軸と平行になるように微調整を行った上で、距離Ｓ１を最終的に決定する。
【００２８】
なお、筺体７には、図２に示すように、球体４の中心を通る面で、かつレーザ反射体３の中心線に直交する面上に、レーザ反射体３を移動台へ取付けるためのねじ穴９を予め加工しておくとよい。また、同じ面上に球体４の中心位置を示すマーク１３を施しておくとよい。また同様に、筺体７には球体４の集光点Ｑ１に相当する位置にねじ穴１１およびマーク１４も施しておくとよい。これらのマーク１３、１４は、本発明の表示手段に相当する。さらにレーザ反射体３の中心線上にねじ穴１０を施しておくとよい。筺体７に予め設けられたねじ穴９〜１１やマーク１３、１４の位置によって、レーザ干渉測長の際、レーザ反射体３の正確な回転中心（ピッチングやヨウイングなどの振れの中心）の位置や、反射点（集光点Ｑ１）の位置を容易に知ることができる。
なお、被覆体１２は、十分な領域を覆っている。十分な領域とは、前述のように移動台１７の振れによって集光点である交点Ｑ１の位置がずれた場合にも、レーザ光を反射できる程度の領域を示す。
【００２９】
本実施形態の構成によれば、直角三面鏡やコーナキューブプリズムのように、反射光の断面に６分割の割れが発生することや、入射光に比べて反射光の強度が常に１０％〜２０％減衰するということがなくなる。
また、レーザ反射体３を構成する部品の入手を容易にすることができる。すなわち、球体４は、基本的に任意の屈折率ｎ１を有する材料で製作されたものであればよく、光学ガラス製の汎用品として廉価に入手が可能である。また、球体４の入射側とは反対側の球面上の１点にレーザ光を集光させるので、少なくともその部分が無傷の表面となるように形成されていれば、均一な反射光を得ることができる。さらに、球体４の真球度が高精度に仕上げられていなくても、レンズ５と球体４との組み合わせによって、三次元的なキャッツアイの機能を果たすことができる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。レーザ干渉測長機１は前述と略同じ構成であるが、レーザ反射体の構成が異なっている。ここでは、前述と異なる部材の符号に１００番を加えた符号を用いて説明する。レーザ反射体１０３は、焦点距離ｆ２を持つレンズ１０５と、屈折率ｎ２の球体１０４と、筺体１０７を備えている。レンズ１０５と球体１０４の中心間距離Ｓ２と、レンズ１０５の焦点距離ｆ２とが一致するように、焦点距離ｆ２または中心間距離Ｓ２が設定されている。球体１０４の表面を覆う被覆体１２は、レンズ１０５から遠い方の球体１０４の半球面上の領域で、この半球面と光軸（Ｐ軸）との交点（Ａ２）を中心に形成されている。被覆体１２は、レーザ反射体１０３が傾斜していない状態でレーザ光が球体１０４を照射する面積と略同じ面積を少なくとも覆っている。
【００３１】
窓６を通ってレーザ光８がレンズ１０５に照射されると、レンズ１０５によって焦点Ｆ２に集光される（レーザ光８ａ参照）。そして球体１０４の中心と焦点Ｆ２とが一致しているため、レーザ光８ａが球体１０４の内部に入る際、屈折されずに直進し、レーザ光８ｂとなって集光点Ｑ２（焦点Ｆ２）に集光する。集光点Ｑ２を過ぎたレーザ光８ｃは所定の領域まで広がって、被覆体１２で反射する。ここで、レーザ光８ｃが所定の領域まで広がるとは、レーザ光８ａが球体１０４を照射する面積と同じ面積までレーザ光８ｃが広がることを示す。被覆体１２を反射したレーザ光８ｃは、再び球体１０４の中心に集光し、そのあとレーザ光８ｂ、８ａと同じ光路を通って、レンズ１０５に再入射する。そして、レンズ１０５によって入射光の光軸（Ｐ軸）に平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
本実施形態の反射光学系を実現するには、前述の球体４の屈折率ｎ１よりも大きい屈折率ｎ２の材料で、球体１０４を製作するか、または、焦点距離ｆ１よりも短い焦点距離ｆ２のレンズを使用すればよい。
【００３２】
移動台１７の姿勢の変化により集光点Ｑ２の位置が、球体１０４の中心位置から外れたとしても、反射光は、入射光のＰ軸に平行なレーザ光となって干渉計本体２に戻される。丁度、集光点Ｑ２が球面状のキャッツアイの役割を果たす。
移動台３の姿勢の変化により集光点Ｑ２の位置がずれた場合について図７、図８を用いて説明する。図８は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すようにレーザ反射体１０３を傾けるのではなく、入射するレーザ光の光軸がΔθＹだけ傾いた状態で対物レンズ１０５に入射した場合を示す。レンズ１０５により絞られた入射光を光線Ｋ１、Ｋ２とすると、光線Ｋ１、Ｋ２の球体１０４内部での挙動は以下のようになる。図８では球体１０４の被覆体１２は、図中のＦ１〜Ｆ２で示す球体表面の領域に形成されている。
【００３３】
まず、光線Ｋ１は、傾斜によって本来の球体中心Ｑ２（焦点Ｆ２）から外れた焦点面上の集光点Ｑ２’（Ｆ２’）に集光する。そして、集光点Ｑ２’を通過した光線Ｋ１は、球体表面では本来のＦ１ａではなくＦ１ｂで反射し、光線Ｋ１’の反射光となってレンズ１０５に戻る。光線Ｋ２は、集光点Ｑ２’（Ｆ２’）に集光し、本来のＦ２ａではなくＦ２ｂで反射し、光線Ｋ２’となって戻る。傾斜がなければ、球体１０４の中心で焦点を結び、図中のＦ１ａ〜Ｆ２ａで示す球体の内部表面の領域で反射する。しかし、対物レンズ１０５で絞られた光線全体（Ｋ１〜Ｋ２で示す略円錐状の光線）が傾いて球体１０４に入射した場合、図中のＦ１ｂ〜Ｆ２ａで表される球体の内部表面において有効な反射光が得られる。しかし、Ｆ２ａ〜Ｆ２ｂの領域に入射する光線は、被覆体１２があっても反射光は球体１０４からほとんど拡散し、対物レンズ１０５へ戻らない。また、Ｆ１ａ〜Ｆ１ｂの内部表面の領域には、もともと光線が入射しない。
このように本実施形態の場合、入射光の一部が反射しない、もしくは反射光がレンズ１０５に戻らないため、反射光強度の減衰が生じる。しかし、前記実施形態と同様に、傾斜角度が微小である限り、その影響は小さくなる。見方を変えれば、従来のコーナキューブプリズムが入射光強度を約１０％〜２０％あるいはそれ以上の割合で減衰した状態でしか反射光を作り出せないのに対し、本実施形態の場合、移動台３の傾きが生じたときだけ、その傾きに比例した強度減衰にとどめることができる。
【００３４】
このような機能を発揮させる上で重要なパラメータは、球体１０４とレンズ１０５の中心間距離Ｓ２（焦点距離ｆ２）である。中心間距離Ｓ２は、レンズの焦点距離ｆ２、および使用するレーザ光の波長λの２つの関係で決定される。しかし、実際には戻ってきた反射光がＰ軸に平行となるように微調整した上で、距離Ｓ２を最終的に決定する。
【００３５】
本実施形態によれば、レーザ光が球体１０４の内部の１点（集光点Ｑ２、Ｑ２’）に集光されるので、前記実施形態の交点Ｑ１、Ｑ１ａのようにレーザ光が球体４の表面上の１点に集光されない。従って、球体１０４の表面の部分的な傷を前記実施形態の球体４ほど気にする必要がない。
また、前述の球体４では、球体の真球度の形状偏差を球体表面の１点毎に評価して、１点毎の形状偏差が許容範囲内となる必要がある。しかし、本実施形態では、球体１０４の中心に一度集光したレーザ光８ｂが所定の領域まで広がったレーザ光８ｃとなってから被覆体１２で反射するので、真球度の形状偏差の平均値を評価に用いることができる。すなわち、真球度の形状偏差を球体表面の所定の領域で平均し、その平均値を評価するので、前記実施形態の球体４ほど高い加工精度が要求されず、球体１０４を低コストで製作できる。
【００３６】
＜第３実施形態＞
図９は、本発明の第３実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。レーザ干渉測長機１は前述と略同じ構成であるが、レーザ反射体の構成が異なっている。ここでは、前述と異なる部材の符号に２００番を加えた符号を用いて説明する。
レーザ反射体２０３は、屈折率ｎ３の球体２０４と、これを保持する筺体２０７を備える。筺体２０７には、前述と同様に円形の窓６が形成されている。また、球体２０４は前述と同様に被覆体１２で覆われている。
球体２０４は屈折率ｎ３が略２（ｎ３≒２）である特殊な材料で製作されている。従って、球体２０４にレーザ光８が入射すると、屈折率の関係から入射側とは反対側の球体表面の１点である点Ｑ３に集光する。点Ｑ３は、レーザ光の光軸（Ｐ軸）と入射側とは反対側の球体表面との交点である。レーザ光８ａは被覆体１２で反射したのち、レーザ光８ｂとなって再び球体２０４の内部を通り、球体２０４から出るとＰ軸に平行なレーザ光となって干渉計本体２へ戻る。
【００３７】
移動台１７（図１参照）の姿勢の変化により集光点Ｑ３の位置が多少ずれても、球体２０４が屈折率ｎ３≒２を有する以上、反射光は、入射光に平行なレーザ光となって干渉計本体２に戻される。丁度、集光点Ｑ３が球面状のキャッツアイの役割を果たす。
本実施形態によれば、前述の実施形態のようなレンズ５、１０５が不要となる。従って、レーザ反射体２０３の部品点数が少なくて済み、かつ、球体４、１０４とレンズ５、１０５との間の微妙な距離調整作業が要らなくなり、単純に組み立てることができる。さらに、筺体２０７の長さを前記実施形態よりも短くすることができるので、レーザ反射体２０３のコンパクト化が図れる。
【００３８】
前記各実施形態では、レーザ反射体がＹ軸周りにピッチング（図１のθＹ）した場合について説明したが、レーザ反射体がＺ軸周りにローリング（同図のθＺ）した場合であっても、レーザ反射体がＸ軸周りにヨウイング（同図のθＸ）した場合であっても、同じ効果が得られる。
また、前記各実施形態では、本発明のレーザ反射体をレーザ干渉測長機に用いる場合について説明したが、これに限らず、精密測定装置や精密加工装置においてレーザ光によるワークあるいは工具の位置決めを行う場合にも、本発明のレーザ反射体を効果的に用いることができる。
【００３９】
＜実施例＞
１軸方向のレーザ干渉測長システムを用いて、三次元測定機や工作機械のテーブルの移動量を測る場合に、本発明のレーザ反射体を用いる例を図１０に基づいて説明する。
具体的なレーザ反射体の仕様を以下に示す。
球体４の直径 ： 20 mm、
レーザ光の直径 ： 5 mm、
レーザ光の波長 ： 0.633 μm、
開口数（N.A.）に相当する値 ： N.A.＝ｎ×sinθ＝0.125
（ｎは空気の屈折率でｎ＝ 1 ）。
三次元測定機や工作機械では通常、移動するテーブルがピッチングやヨーイングなどの姿勢変化を起こすとしても、その傾斜角度（ΔθＹ）は 10 秒以下である。干渉計本体２に対するテーブルの移動範囲が 10 mである場合（多くの場合、移動範囲は 5 m以内である。）、傾斜角度 10 秒（( 1 ／ 360 )度）に対する光軸（Ｐ軸）からの球体４の位置ずれは、 0.5 mmとなる。ここで、測長範囲を 10 mとして計算すると、集光位置である交点Ｑ１ａはＰ軸に沿って 12.5 μmずれる。一方、開口数（N.A.）に対応する焦点深度ｄを次式により計算すると、ｄ＝約 40 μmとなり、交点Ｑ１がずれる量より大きい。従って、測長範囲が 10 mであっても、傾斜時の集光位置である交点Ｑ１ａは依然として球体表面上になることが説明できる。なお、図１０では球体表面上の被覆体１２の図示を省いている。
【数１】
【００４０】
また、比較例として、レーザ干渉測長機用の一般的なマイケルソン干渉計の参照側反射体として平面鏡またはコーナキューブプリズムを用いた場合の反射光の強度について説明する。まず、平面鏡による干渉縞信号のリサージュ波形を描き、その直径を１００％と評価する。次に、直交する３稜線を安全のため 0.2 mm幅で面取りした直径が 12.7 mmのコーナキューブプリズムを、平面鏡に代えて設置し、同様のリサージュ波形を評価した。この直交する三面には、いずれも銀のコーティングが施されている。評価の結果、コーナキューブプリズムに代えた場合、リサージュ波形の直径が６５％〜７０%に縮減した。
ここで、干渉現象を発生させたとき、干渉縞強度 I は次式で表わされる。 a は移動側の光の振幅であり、 b は参照側の光の振幅である。
【数２】
【００４１】
上式に示すように、干渉縞強度 I は時間 t と共に、4ab で示される大きさの強度変化を起こす。この強度変化がリサージュ波形の振幅となる。比較例において b1 を平面鏡使用時の参照側の光の振幅とし、 b2 をコーナキューブプリズム使用時の参照側の光の振幅とすれば、4ab2 ／ 4ab1 ＝( 65 〜 70 )％／ 100 ％となる。各参照側の光の強度比は、次のようになる。
【数３】
【００４２】
すなわち、干渉現象を起こす前の参照側の光強度がコーナキューブプリズムを用いることによって半分以下に低下する。
次に、本発明のレーザ反射体の効果の推定値について説明する。比較例のコーナキューブプリズムを本発明のレーザ反射体に代えた場合、上記リサージュ波形の振幅は、コーナキューブプリズムの場合の中間あたり、つまり、少なくとも８０％〜８５％になると推定できる。その理由は、本発明のレーザ反射体の場合、対物レンズの表面や球体の表面反射や球体内部での吸収による減衰があるものの、コーナキューブプリズムを使う場合のように、レーザ光が３稜線で蹴られたり、６分割されたりしないからである。平面鏡使用時の参照側の光に対する本発明のレーザ反射体使用時の参照側の光の強度比は、4ab2 ／ 4ab1 ＝( 80 〜 85 )％／ 100 ％より、次のようになる。
【数４】
【００４３】
以上から、本発明のレーザ反射体によれば２８％〜３６％の反射光強度の減衰にとどまるものと予想できる。つまり、コーナキューブプリズムの５１％〜５８％という５０%以上の強度の減衰に比べて、減衰を４０％以下に抑える効果があると言える。
【符号の説明】
【００４４】
２ ：干渉計本体（照射手段）
３、１０３、２０３ ：レーザ反射体
４、１０４、２０４ ：球体
５、１０５ ：レンズ
７、１０７、２０７ ：筺体（支持部材）
１２ ：被覆体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射手段からのレーザ光を同じ照射手段に向けて反射するレーザ反射体に関し、特に、レーザ干渉測長機に用いるレーザ反射体の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の寸法を高分解、非接触に測定することができるマイケルソン干渉計を利用したレーザ干渉測長機が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１記載のレーザ干渉測長機は、図１１に示すように、レーザ光源１５、干渉計本体２、および被測定物を載せる移動台（不図示）を有し、レーザ光源１５からのレーザ光をビームスプリッタ２１で参照光と測定光とに分割し、移動台に取り付けられた移動鏡（レーザ反射体）１６で測定光を反射し、再びビームスプリッタ２１で固定鏡（固定平面反射体）２２からの測定光と合成させ、生じた干渉光を検出器２３で受光する。移動台を測定光の光軸方向に移動させると、移動台がレーザ光の波長の半分（λ／２）移動する毎に測定光と参照光の光路差がλとなり、λ／２を周期とする正弦的な光強度変化が検出器で検出される。つまり、移動台の移動量に応じて干渉縞が動くので、干渉縞の変化を計数することにより、移動台の移動量が得られる。移動台を被測定物の長さ寸法に応じて移動させれば、被測定物の長さ寸法をナノメートルレベルで読み取ることができる。
【０００３】
レーザ干渉測長機で長さを測る場合、移動鏡１６で反射した測定光をビームスプリッタ２１へ正確に戻すため、従来、移動鏡１６には平面反射体ではなく再帰反射体が用いられていた。再帰反射体としては、例えば直角三面鏡やコーナキューブプリズムがある。
移動台に取り付けられた移動鏡１６の移動量、つまり被測定物の測長距離が長くなるにつれて、移動鏡１６の姿勢が変化することがある。それは、移動台にピッチング（pitching）、ヨウイング（yawing）、ローリング（rolling）が発生するためである。移動鏡１６として再帰反射体を用いれば、移動台の姿勢が変化しても測定光の反射方向が変わらず、反射光を常に入射光と平行な方向へ戻すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１１５７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
再帰反射体として用いられてきた直角三面鏡やコーナキューブプリズムは、図１２に示すように、直交する３平面Ａ〜Ｃによって構成され、３つのエッジ（交線）Ｄ〜Ｆ、およびコーナーポイントＧと呼ばれる３平面の交点を有する。直角三面鏡やコーナキューブプリズムの加工上および使用上の観点から、エッジＤ〜ＦとコーナーポイントＧは、図のように有限の寸法で削り落とされている。これは、直角三面鏡やコーナキューブプリズムの加工を容易にして、安全に取り扱えるようにするためである。
【０００６】
しかし、移動鏡１６の３つのエッジＤ〜Ｆとその虚像によってレーザ光の反射光が６分割されて干渉計本体２へ戻され、反射光の断面に６分割の割れが発生してしまう。また、入射するレーザ光が削り落とされたエッジＤ〜ＦおよびコーナーポイントＧで拡散するため、入射光に対する反射光の強度が常に１０％〜２０％の割合で減衰してしまう。従来の直角三面鏡やコーナキューブプリズムをレーザ干渉測長機の移動鏡（レーザ反射体）１６に用いた場合、以上のような課題を伴っていた。レーザ干渉測長機に限らず、レーザ光を使用する精密測定装置や精密加工装置においても、装置に設けられる照射手段からのレーザ光を再帰反射させるレーザ反射体に共通する課題であった。
【０００７】
本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は、第一に、レーザ光の照射手段に対してレーザ反射体の姿勢が相対的に変化しても、反射光を常に入射光と平行な方向へ戻すことができるレーザ反射体を提供することにある。
第二に、直角三面鏡やコーナキューブプリズムをレーザ反射体として用いた場合のような反射光の断面の６分割の割れが生じず、かつ、反射光の強度の減衰を低減できるレーザ反射体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために本発明の請求項１に係るレーザ反射体は、
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズと前記球体で１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させる。
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置される。
前記球体の中心は、前記レンズの中心と当該レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ１）とを結ぶ線上で、かつ、前記レンズの焦点（Ｆ１）が当該球体の外となるように配置される。
前記被覆体は、前記レンズの焦点（Ｆ１）に近い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ１）を少なくとも含む領域を覆う。
前記レンズの中心と前記球体の中心との距離（Ｓ１）、および、前記球体の屈折率（ｎ１）は、前記レンズによって前記焦点（Ｆ１）に向けて集光されるレーザ光を、前記球体で屈折させて、かつ当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ１）に集光させるように設定される。
前記交点（Ｑ１）に集光されたレーザ光を、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すとともに、前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記交点（Ｑ１）から外れた前記球体の表面上の点に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とする。
なお、照射手段は、例えばレーザ干渉測長機に本発明のレーザ反射体を用いる場合であれば、レーザ反射体に測定光を入射させる干渉計本体（ビームスプリッタ）に相当する。そして、レーザ反射体は、レーザ干渉測長機に設けられた移動台に取り付けられ、移動台の移動方向に移動自在に設けられる。
【０００９】
本発明の請求項２に係るレーザ反射体は、
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズで前記球体の内部の１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させる。
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置される。
前記球体の中心は、前記レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ２）に一致する。
前記被覆体は、前記レンズから遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ａ２）を中心に、前記レーザ光が前記球体を照射する面積と略同じ面積を少なくとも含む領域を覆う。
前記レンズによって前記球体の内部の前記焦点（Ｆ２）に集光されるレーザ光を、前記焦点（Ｆ２）から所定の領域まで広がった状態で前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻す。これとともに、前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記焦点（Ｆ２）から外れた焦点面上の点（Ｑ２’）に集光させて、さらに所定の領域まで広がった状態にして前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とする。
【００１０】
また、前記支持部材には、前記照射手段からのレーザ光の直径を制限する円形の窓が形成されていることが好ましい。さらに、前記支持部材は、前記光軸（Ｐ軸）に略平行な方向に移動自在な移動台に取付け可能に設けられ、当該支持部材には、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とに相当する位置にそれぞれ取付け用の孔が形成され、かつ、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とをそれぞれ表示する表示手段が設けられていてもよい。また、前記被覆体は、銀の反射膜と、この反射膜を外部から覆う保護膜とを有することが好ましい。
【００１１】
また、本発明のレーザ反射体としては、前記レンズおよび前記球体の代わりに、照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられる球体を備え、前記支持部材は、前記球体を保持し、前記被覆体は、前記照射手段から遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ３）を少なくとも含む領域を覆ってもよい。ここで、前記球体の屈折率（ｎ３）はｎ３＝２に設定され、前記球体に入射されるレーザ光を、屈折率ｎ３＝２で屈折させて当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ３）に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に係るレーザ反射体の構成によれば、レンズと球体の各中心を結ぶ線と、レーザ光のＰ軸とが平行な状態を維持されていれば、入射光は常に球体とＰ軸との交点（Ｑ１）の一点に集光される。すると、交点（Ｑ１）にて被覆体を反射した反射光は、球体の中心と焦点（Ｆ１）とを結ぶ線に対して線対象となる光路を通って、レンズから出射する。従って、レーザ反射体からの反射光はＰ軸と平行になる。
一方、レンズおよび球体を保持する支持部材の姿勢が変化して、レンズと球体の各中心を結ぶ線と、レーザ光のＰ軸とが平行でなくなり傾きΔθが生じる場合、入射光はレンズによって軸外焦点（Ｆ１ａ）に向かって集光される。このような場合には、球体にて屈折した入射光が、交点（Ｑ１）から外れた球体表面上の交点（Ｑ１ａ）に集光される。すると、交点（Ｑ１ａ）にて被覆体を反射した反射光は、球体の中心と軸外焦点（Ｆ１ａ）とを結ぶ線に対して線対象となる光路を通って、レンズから出射する。従って、レーザ反射体からの反射光はＰ軸と平行になる。以上の説明で反射光がＰ軸に平行になることが言えるが、レーザ反射体の傾きΔθが大きければ、球体からの反射光の一部がレンズに戻らず反射光の強度が低減してしまうことも生じ得る。従って、傾きΔθの範囲が上記の強度低減が生じない範囲で使用することが好ましい。また、レーザ反射計に用いる場合であれば、充分なＳ／Ｎ比の干渉信号さえ検出できればよいので、僅かな強度低減であれば無視できる。
【００１３】
このように、レーザ光の照射手段に対してレーザ反射体の姿勢が相対的に変化しても、反射光を常に入射光のＰ軸と平行な方向へ戻すことができ、いわゆる再帰反射が可能となる。また、直角三面鏡やコーナキューブプリズムが有するようなエッジがないため、反射光の断面の６分割の割れが生じない。さらに、直角三面鏡やコーナキューブプリズムが有するようなコーナーポイントがないため、コーナーポイントによる反射光の強度の減衰を低減させることができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係るレーザ反射体の構成によれば、レーザ光を球体の内部の１点に集光するので、球体の表面の部分的な傷などの測定への影響を軽減できる。
また、支持部材に照射手段からのレーザ光の直径を制限する円形の窓を設けたことで、レーザ光が円形の窓を通る際、レーザ光のビーム径が制限され、反射光の球面収差を低減できる。
さらに、支持部材に取付け用の孔を形成し、かつ、球体中心、集光点、被覆体の位置をそれぞれ表示する表示手段を設けたので、球体の位置や集光点の位置を確認しながら、レーザ反射体を移動台に容易に取り付けることができる。
また、銀の反射膜およびその保護膜によって被覆体を構成したので、反射による光強度の低下がほとんど生じなくなり、外部からの不注意による傷などを防ぐことができる。
また、レンズと球体との組み合わせの代わりに、屈折率ｎ３＝２の球体を用いてレーザ反射体を構成すれば、前述の発明のレンズが不要となる。従って、レーザ反射体の部品点数が少なくて済み、かつ、球体とレンズとの間の微妙な距離調整作業が要らなくなり、単純に組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るレーザ干渉測長機を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。
【図３】前記レーザ反射体がΔθＹだけ傾斜した場合の入射光と反射光の関係を示 す図であり、入射光の上端部分の光路を説明する図である。
【図４】図３において、入射光の中央部分の光路を説明する図である。
【図５】図３において、入射光の下端部分の光路を説明する図である。
【図６】第２実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。
【図７】前記レーザ反射体がΔθＹだけ傾斜した状態を説明するための図である。
【図８】前記レーザ反射体が傾斜した場合の入射光と反射光の関係を示す図である。
【図９】第３実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施例を示す図である。
【図１１】従来のレーザ干渉測長機の概略構成の説明図である。
【図１２】従来のコーナキューブプリズムのコーナーポイントを拡大した斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜レーザ干渉測長機の構造＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ干渉測長機を示す概略構成図である。
本実施形態のレーザ干渉測長機１は、本体ベース１９、レーザ光源１５、干渉計本体２、被測定物Ｗを載せる移動台１７、移動台１７の駆動機構１８、および、移動台１７に取り付けられたレーザ反射体３を有して構成されている。なお、干渉計本体２は本発明の照射手段として機能する。
【００１７】
レーザ光源１５は、干渉計本体２とは別体で設けられ、所定の波長（λ）のレーザ光を干渉計本体２に供給する。
干渉計本体２は、本体ベース１９上に固定され、図１１で説明した従来の干渉計と同様に、ビームスプリッタ、固定鏡、検出器などの各種光学部材を有して測長に用いる干渉計を構成している。干渉計本体２は、ビームスプリッタで分割した測定光を、図中のＺ軸方向に平行にレーザ反射体３に向けて照射する。この測定光の光軸をＰ軸と呼ぶ。そして、レーザ反射体３で反射して戻ってきた測定光と、図示しない固定鏡を反射した参照光とを合成して生じる干渉光の光強度を検出器で検出する。
【００１８】
移動台１７は、本体ベース１９上の駆動機構１８により水平方向（図中のＺ軸方向）に移動自在に設けられている。
レーザ反射体３は、移動台１７の端部に取り付けられ、移動台１７の移動とともにＺ軸方向に移動する。また、干渉計本体２からの測定光を反射して、干渉計本体に戻す。
レーザ干渉測長機１が被測定物ＷのＺ軸方向の長さ寸法を測定する場合、その長さ寸法に対応する距離だけ移動台１７を移動させる。すると検出される干渉縞が変化するので、干渉縞の変化を光強度のピーク値の累積回数として計数する。これによって移動台１７の移動量、すなわち移動台上の被測定物Ｗの長さ寸法が測定される。
ここで、レーザ反射体３に求められる重要な性能として、干渉計本体２からの測定光を反射して、測定光と平行な反射光を干渉計本体に戻す再帰反射性がある。
例えば、移動台１７が駆動機構１８に設けられたレール上を連続移動する場合、その移動距離が長いほど、移動台１７の姿勢が変化してしまう。この姿勢の変化は、通常、図１に示すように、移動台のピッチング、ヨウイング、ローリングとして説明できる。図１にて、水平なＺ軸と直交するもう一つの水平軸をＹ軸とし、Ｘ軸を垂直な軸とすると、ピッチングはＹ軸周りの移動台１７の揺れ（縦揺れ）を示し、その振れ量をθＹで示す。ヨウイングはＸ軸周りの揺れを示し、振れ量をθＸで示す。ローリングはＺ軸周りの揺れ（横揺れ）を示し、振れ量をθＺで示す。
【００１９】
＜レーザ反射体の構造＞
レーザ反射体３は、図２に示すように、焦点距離ｆ１を持つレンズ５と、屈折率ｎ１の材料で作製された球体４と、レンズ５および球体４を収納する筺体７と、を備える。本発明において球体４などの光学部材の屈折率は、空気（屈折率＝１）に対する比である。
球体４の中心からレンズ５の中心を通る線の延長上には、導光用の窓（開口部）６が形成され、筺体外部からのレーザ光８が窓６を通ってレンズ５に照射されるようになっている。しかも窓６は円形に形成されているので、外部からのレーザ光８が通る際、ビームの直径が制限され、反射光の球面収差を低減できるようになっている。レンズ５と球体４の各中心を結ぶ線を筺体７の収納空間の中心線とすると、レンズ５は、両焦点がこの中心線上となるように筺体７に保持されている。なおレンズ５の両焦点位置は、図２のように筺体７の外側となっても構わない。
【００２０】
球体４の中心は、レンズ５の中心と、窓６側とは反対側の焦点Ｆ１とを結ぶ線上に配置されている。球体４の大きさは、レンズ５の焦点Ｆ１を内部に含まない程度の大きさである。レンズ５と球体４の位置関係は、筺体７によって保持されている。筺体７は本発明の支持部材として機能する。
球体４には、その表面を覆いレーザ光を反射する被覆体１２が形成されている。
被覆体１２は、レンズ５の焦点Ｆ１に近い方の球体５の半球面上の領域で、この半球面と収納空間の中心線との交点Ｑ１を含む領域を覆っている。
【００２１】
ここで、任意の屈折率で製作された球体４を用いる場合には、レンズ５と球体４の中心間距離Ｓ１を適宜設定することによってレーザ反射体３を構成することができる。つまり、レンズ５によって焦点Ｆ１に集光されるレーザ光８ａを、球体４で屈折させて、被覆体１２で覆われた交点Ｑ１に集光させるように、中心間距離Ｓ１を設定すればよい。
一方、筺体７の大きさなどの制約を受けて、予めレンズ５と球体４の中心間距離Ｓ１が決まっている場合には、球体４の屈折率ｎ１を中心間距離Ｓ１に合わせて設定すればよい。この場合でも、球体４に照射されるレーザ光８ａが交点Ｑ１に集光されるようにすることができる。球体４の内部を通って交点Ｑ１に集光されるレーザ光８ｂは、この交点Ｑ１を覆う被覆体１２で反射する。
【００２２】
被覆体１２は、球体５の球面のうち、集光点である交点Ｑ１を中心とする所定領域を覆う銀の反射膜と、この反射膜を保護する保護膜によって構成されている。反射膜として銀の薄膜を用いることで、集光点での反射による光強度の低下がほとんど生じなくなる。また、反射膜の外面を塗装することで保護膜を容易に形成することができる。反射膜を保護膜で覆うことで、外部からの不注意による傷などを防ぐことができる。
【００２３】
＜レーザ反射体を反射するレーザ光の光路＞
以下、レーザ反射体３が、移動台１７（図１参照）に取り付けられて、干渉計本体２からのレーザ光８を反射する場合について図２に基づいて詳しく説明する。
レーザ反射体３は、収納空間の中心線がレーザ光８の光軸（Ｐ軸）と一致するように移動台１７に取り付けられている。図２に示すように、干渉計本体２からのレーザ光８のＰ軸とレーザ反射体３の中心線との平行状態が維持されていれば、レーザ光８は、窓６を通ってレンズ５に入射し、屈折によって焦点Ｆ１に向かって集光する（図中のレーザ光８ａ参照）。そしてレーザ光８ａは、球体４の表面にて屈折率ｎ１で屈折し、球体４の内部を通って交点Ｑ１に集光する（レーザ光８ｂ参照）。交点Ｑ１がレンズ５と球体４の中心線上にあるため、被覆体１２を反射した反射光は、レーザ光８ｃ、８ｄの光路を通って、レンズ５に再入射する。ここで、レーザ光８ｃ、８ｄの光路は、レーザ反射体３の中心線に対してレーザ光８ａ、８ｂの光路と線対象となる。そして、レーザ光８ｄはレンズ５にてＰ軸と平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
【００２４】
次に、移動台３の姿勢の変化により集光点である交点Ｑ１の位置がずれた場合について説明する。具体例として図１に示す移動台１７がＹ軸周りに振れた場合について、図３〜５を用いて詳しく説明する。図３〜５では、縦揺れによりレーザ反射体３がレーザ光のＰ軸に対して傾き、レーザ反射体３の中心線とＰ軸とが所定の角度ΔθＹで交差しているとする。
【００２５】
図３は、レーザ光の図中の上端部分を進むレーザ光８の光路を示す。
干渉計本体２からのレーザ光８は、レンズ５で屈折したあと、軸外焦点Ｆ１ａに向かって集光する（図中のレーザ光８ｅ参照）。軸外焦点Ｆ１ａは、焦点を含む焦点面上の点である。そしてレーザ光８ｅは、球体４の表面にて屈折率ｎ１で屈折してレーザ光８ｆとなり、球体４の内部を通って交点Ｑ１ａに集光する。交点Ｑ１ａは、交点Ｑ１から外れた球面上の点であり、被覆体１２に覆われている。交点Ｑ１ａで被覆体１２を反射した反射光は、レーザ光８ｇ、８ｈの光路を通って、レンズ５に再入射する。ここで、レーザ光８ｇ、８ｈは、球体４の中心と軸外焦点Ｆ１ａを結ぶ線に対してレーザ光８ｅ、８ｆと線対象となる。レーザ光８ｈはレンズ５にてＰ軸と平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
図４、図５は、レーザ光の図中の中央部分および下端部分を進むレーザ光８の光路をそれぞれ示す。図３と同様に、レーザ光８はレンズ５により軸外焦点Ｆ１ａに向かって集光し、球体４の表面にて屈折して、交点Ｑ１ａに収束する。被覆体１２で反射したのち、球体４の表面とレンズ５にて屈折して、Ｐ軸と平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
【００２６】
以上のように、図３〜図５には、レーザ反射体３全体がΔθＹ傾いたときの入射光の上端側、中心線上、下端側の各光線が対物レンズ５のどの位置に戻ってくるか、の違いを説明している。図３では上端側から入射する光線の反射光が、対物レンズ５の最も下側から戻り、図４では中心線上から入射する光線の反射光が、光軸（Ｐ軸）よりも下側から戻り、図５では下端側から入射する光線の反射光が、Ｐ軸より上側から戻ることを表わす。
レーザ反射体３が対物レンズ５を中心にΔθＹだけ傾くことによって、対物レンズ５が傾くとともに、球体４の中心がＰ軸上から外れる。例えば図３では球体４が対物レンズ５より相対的に下方に移動する。この場合、集光点は図２に示す点Ｑ１より上方の交点Ｑ１ａに位置するが、傾き（ΔθＹ）が小さいため、傾く前とほとんど同じ位置となる。従って、図３のように反射光が対物レンズ５の中心から大きく外れて、反射光強度が減少してしまうということはない。仮に、傾きによって反射光の一部が対物レンズ５からはみ出て反射光強度が減少することがあっても、実用上、光束全体の戻り光が干渉計本体２で充分なＳ／Ｎ比の干渉信号を検出できさえすればよいので、僅かな強度減少であれば無視できる。
また、図３では、移動する集光点である交点Ｑ１ａが球体４の表面上となると説明したが、正確には次のような説明となる。仮にレーザ光が理想の焦点位置（Ｆ１、Ｆ１ａ）において最小の集光面積となって集光するならば、レーザ反射体３の傾斜によって、交点Ｑ１ａは球体４の表面上ではない。しかし、レーザ光は厳密には一焦点に集光することはなく、所定の焦点深度を有している。よって、レーザ反射体３が傾斜したとしても、ΔθＹが焦点深度内から球体４の表面が外れない程度の微小な傾斜量であれば、交点Ｑ１ａは依然として球体４の表面上になると言える。
【００２７】
このようにレーザ反射体３は、レーザ光をレンズ５と球体４で１点に絞るように工夫されているので、移動台の姿勢の変化に関わらず、入射光のＰ軸と平行な反射光を干渉計本体２に戻すことができる。丁度、レーザ反射体３が再帰反射体として三次元的なキャッツアイの役割を果たす。
このような機能を発揮させる上で重要なパラメータは、球体４とレンズ５との距離Ｓ１である。距離Ｓ１は、球体４の屈折率ｎ１、レンズ５の焦点距離ｆ１、および使用するレーザ光の波長λの３つの関係で決定される。しかし、実際には戻ってきた反射光がＰ軸と平行になるように微調整を行った上で、距離Ｓ１を最終的に決定する。
【００２８】
なお、筺体７には、図２に示すように、球体４の中心を通る面で、かつレーザ反射体３の中心線に直交する面上に、レーザ反射体３を移動台へ取付けるためのねじ穴９を予め加工しておくとよい。また、同じ面上に球体４の中心位置を示すマーク１３を施しておくとよい。また同様に、筺体７には球体４の集光点Ｑ１に相当する位置にねじ穴１１およびマーク１４も施しておくとよい。これらのマーク１３、１４は、本発明の表示手段に相当する。さらにレーザ反射体３の中心線上にねじ穴１０を施しておくとよい。筺体７に予め設けられたねじ穴９〜１１やマーク１３、１４の位置によって、レーザ干渉測長の際、レーザ反射体３の正確な回転中心（ピッチングやヨウイングなどの振れの中心）の位置や、反射点（集光点Ｑ１）の位置を容易に知ることができる。
なお、被覆体１２は、十分な領域を覆っている。十分な領域とは、前述のように移動台１７の振れによって集光点である交点Ｑ１の位置がずれた場合にも、レーザ光を反射できる程度の領域を示す。
【００２９】
本実施形態の構成によれば、直角三面鏡やコーナキューブプリズムのように、反射光の断面に６分割の割れが発生することや、入射光に比べて反射光の強度が常に１０％〜２０％減衰するということがなくなる。
また、レーザ反射体３を構成する部品の入手を容易にすることができる。すなわち、球体４は、基本的に任意の屈折率ｎ１を有する材料で製作されたものであればよく、光学ガラス製の汎用品として廉価に入手が可能である。また、球体４の入射側とは反対側の球面上の１点にレーザ光を集光させるので、少なくともその部分が無傷の表面となるように形成されていれば、均一な反射光を得ることができる。さらに、球体４の真球度が高精度に仕上げられていなくても、レンズ５と球体４との組み合わせによって、三次元的なキャッツアイの機能を果たすことができる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。レーザ干渉測長機１は前述と略同じ構成であるが、レーザ反射体の構成が異なっている。ここでは、前述と異なる部材の符号に１００番を加えた符号を用いて説明する。レーザ反射体１０３は、焦点距離ｆ２を持つレンズ１０５と、屈折率ｎ２の球体１０４と、筺体１０７を備えている。レンズ１０５と球体１０４の中心間距離Ｓ２と、レンズ１０５の焦点距離ｆ２とが一致するように、焦点距離ｆ２または中心間距離Ｓ２が設定されている。球体１０４の表面を覆う被覆体１２は、レンズ１０５から遠い方の球体１０４の半球面上の領域で、この半球面と光軸（Ｐ軸）との交点（Ａ２）を中心に形成されている。被覆体１２は、レーザ反射体１０３が傾斜していない状態でレーザ光が球体１０４を照射する面積と略同じ面積を少なくとも覆っている。
【００３１】
窓６を通ってレーザ光８がレンズ１０５に照射されると、レンズ１０５によって焦点Ｆ２に集光される（レーザ光８ａ参照）。そして球体１０４の中心と焦点Ｆ２とが一致しているため、レーザ光８ａが球体１０４の内部に入る際、屈折されずに直進し、レーザ光８ｂとなって集光点Ｑ２（焦点Ｆ２）に集光する。集光点Ｑ２を過ぎたレーザ光８ｃは所定の領域まで広がって、被覆体１２で反射する。ここで、レーザ光８ｃが所定の領域まで広がるとは、レーザ光８ａが球体１０４を照射する面積と同じ面積までレーザ光８ｃが広がることを示す。被覆体１２を反射したレーザ光８ｃは、再び球体１０４の中心に集光し、そのあとレーザ光８ｂ、８ａと同じ光路を通って、レンズ１０５に再入射する。そして、レンズ１０５によって入射光の光軸（Ｐ軸）に平行なレーザ光になって干渉計本体２に戻される。
本実施形態の反射光学系を実現するには、前述の球体４の屈折率ｎ１よりも大きい屈折率ｎ２の材料で、球体１０４を製作するか、または、焦点距離ｆ１よりも短い焦点距離ｆ２のレンズを使用すればよい。
【００３２】
移動台１７の姿勢の変化により集光点Ｑ２の位置が、球体１０４の中心位置から外れたとしても、反射光は、入射光のＰ軸に平行なレーザ光となって干渉計本体２に戻される。丁度、集光点Ｑ２が球面状のキャッツアイの役割を果たす。
移動台３の姿勢の変化により集光点Ｑ２の位置がずれた場合について図７、図８を用いて説明する。図８は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すようにレーザ反射体１０３を傾けるのではなく、入射するレーザ光の光軸がΔθＹだけ傾いた状態で対物レンズ１０５に入射した場合を示す。レンズ１０５により絞られた入射光を光線Ｋ１、Ｋ２とすると、光線Ｋ１、Ｋ２の球体１０４内部での挙動は以下のようになる。図８では球体１０４の被覆体１２は、図中のＦ１〜Ｆ２で示す球体表面の領域に形成されている。
【００３３】
まず、光線Ｋ１は、傾斜によって本来の球体中心Ｑ２（焦点Ｆ２）から外れた焦点面上の集光点Ｑ２’（Ｆ２’）に集光する。そして、集光点Ｑ２’を通過した光線Ｋ１は、球体表面では本来のＦ１ａではなくＦ１ｂで反射し、光線Ｋ１’の反射光となってレンズ１０５に戻る。光線Ｋ２は、集光点Ｑ２’（Ｆ２’）に集光し、本来のＦ２ａではなくＦ２ｂで反射し、光線Ｋ２’となって戻る。傾斜がなければ、球体１０４の中心で焦点を結び、図中のＦ１ａ〜Ｆ２ａで示す球体の内部表面の領域で反射する。しかし、対物レンズ１０５で絞られた光線全体（Ｋ１〜Ｋ２で示す略円錐状の光線）が傾いて球体１０４に入射した場合、図中のＦ１ｂ〜Ｆ２ａで表される球体の内部表面において有効な反射光が得られる。しかし、Ｆ２ａ〜Ｆ２ｂの領域に入射する光線は、被覆体１２があっても反射光は球体１０４からほとんど拡散し、対物レンズ１０５へ戻らない。また、Ｆ１ａ〜Ｆ１ｂの内部表面の領域には、もともと光線が入射しない。
このように本実施形態の場合、入射光の一部が反射しない、もしくは反射光がレンズ１０５に戻らないため、反射光強度の減衰が生じる。しかし、前記実施形態と同様に、傾斜角度が微小である限り、その影響は小さくなる。見方を変えれば、従来のコーナキューブプリズムが入射光強度を約１０％〜２０％あるいはそれ以上の割合で減衰した状態でしか反射光を作り出せないのに対し、本実施形態の場合、移動台３の傾きが生じたときだけ、その傾きに比例した強度減衰にとどめることができる。
【００３４】
このような機能を発揮させる上で重要なパラメータは、球体１０４とレンズ１０５の中心間距離Ｓ２（焦点距離ｆ２）である。中心間距離Ｓ２は、レンズの焦点距離ｆ２、および使用するレーザ光の波長λの２つの関係で決定される。しかし、実際には戻ってきた反射光がＰ軸に平行となるように微調整した上で、距離Ｓ２を最終的に決定する。
【００３５】
本実施形態によれば、レーザ光が球体１０４の内部の１点（集光点Ｑ２、Ｑ２’）に集光されるので、前記実施形態の交点Ｑ１、Ｑ１ａのようにレーザ光が球体４の表面上の１点に集光されない。従って、球体１０４の表面の部分的な傷を前記実施形態の球体４ほど気にする必要がない。
また、前述の球体４では、球体の真球度の形状偏差を球体表面の１点毎に評価して、１点毎の形状偏差が許容範囲内となる必要がある。しかし、本実施形態では、球体１０４の中心に一度集光したレーザ光８ｂが所定の領域まで広がったレーザ光８ｃとなってから被覆体１２で反射するので、真球度の形状偏差の平均値を評価に用いることができる。すなわち、真球度の形状偏差を球体表面の所定の領域で平均し、その平均値を評価するので、前記実施形態の球体４ほど高い加工精度が要求されず、球体１０４を低コストで製作できる。
【００３６】
＜第３実施形態＞
図９は、本発明の第３実施形態に係るレーザ反射体を示す断面図である。レーザ干渉測長機１は前述と略同じ構成であるが、レーザ反射体の構成が異なっている。ここでは、前述と異なる部材の符号に２００番を加えた符号を用いて説明する。
レーザ反射体２０３は、屈折率ｎ３の球体２０４と、これを保持する筺体２０７を備える。筺体２０７には、前述と同様に円形の窓６が形成されている。また、球体２０４は前述と同様に被覆体１２で覆われている。
球体２０４は屈折率ｎ３が略２（ｎ３≒２）である特殊な材料で製作されている。従って、球体２０４にレーザ光８が入射すると、屈折率の関係から入射側とは反対側の球体表面の１点である点Ｑ３に集光する。点Ｑ３は、レーザ光の光軸（Ｐ軸）と入射側とは反対側の球体表面との交点である。レーザ光８ａは被覆体１２で反射したのち、レーザ光８ｂとなって再び球体２０４の内部を通り、球体２０４から出るとＰ軸に平行なレーザ光となって干渉計本体２へ戻る。
【００３７】
移動台１７（図１参照）の姿勢の変化により集光点Ｑ３の位置が多少ずれても、球体２０４が屈折率ｎ３≒２を有する以上、反射光は、入射光に平行なレーザ光となって干渉計本体２に戻される。丁度、集光点Ｑ３が球面状のキャッツアイの役割を果たす。
本実施形態によれば、前述の実施形態のようなレンズ５、１０５が不要となる。従って、レーザ反射体２０３の部品点数が少なくて済み、かつ、球体４、１０４とレンズ５、１０５との間の微妙な距離調整作業が要らなくなり、単純に組み立てることができる。さらに、筺体２０７の長さを前記実施形態よりも短くすることができるので、レーザ反射体２０３のコンパクト化が図れる。
【００３８】
前記各実施形態では、レーザ反射体がＹ軸周りにピッチング（図１のθＹ）した場合について説明したが、レーザ反射体がＺ軸周りにローリング（同図のθＺ）した場合であっても、レーザ反射体がＸ軸周りにヨウイング（同図のθＸ）した場合であっても、同じ効果が得られる。
また、前記各実施形態では、本発明のレーザ反射体をレーザ干渉測長機に用いる場合について説明したが、これに限らず、精密測定装置や精密加工装置においてレーザ光によるワークあるいは工具の位置決めを行う場合にも、本発明のレーザ反射体を効果的に用いることができる。
【００３９】
＜実施例＞
１軸方向のレーザ干渉測長システムを用いて、三次元測定機や工作機械のテーブルの移動量を測る場合に、本発明のレーザ反射体を用いる例を図１０に基づいて説明する。
具体的なレーザ反射体の仕様を以下に示す。
球体４の直径 ： 20 mm、
レーザ光の直径 ： 5 mm、
レーザ光の波長 ： 0.633 μm、
開口数（N.A.）に相当する値 ： N.A.＝ｎ×sinθ＝0.125
（ｎは空気の屈折率でｎ＝ 1 ）。
三次元測定機や工作機械では通常、移動するテーブルがピッチングやヨーイングなどの姿勢変化を起こすとしても、その傾斜角度（ΔθＹ）は 10 秒以下である。干渉計本体２に対するテーブルの移動範囲が 10 mである場合（多くの場合、移動範囲は 5 m以内である。）、傾斜角度 10 秒（( 1 ／ 360 )度）に対する光軸（Ｐ軸）からの球体４の位置ずれは、 0.5 mmとなる。ここで、測長範囲を 10 mとして計算すると、集光位置である交点Ｑ１ａはＰ軸に沿って 12.5 μmずれる。一方、開口数（N.A.）に対応する焦点深度ｄを次式により計算すると、ｄ＝約 40 μmとなり、交点Ｑ１がずれる量より大きい。従って、測長範囲が 10 mであっても、傾斜時の集光位置である交点Ｑ１ａは依然として球体表面上になることが説明できる。なお、図１０では球体表面上の被覆体１２の図示を省いている。
【数１】
【００４０】
また、比較例として、レーザ干渉測長機用の一般的なマイケルソン干渉計の参照側反射体として平面鏡またはコーナキューブプリズムを用いた場合の反射光の強度について説明する。まず、平面鏡による干渉縞信号のリサージュ波形を描き、その直径を１００％と評価する。次に、直交する３稜線を安全のため 0.2 mm幅で面取りした直径が 12.7 mmのコーナキューブプリズムを、平面鏡に代えて設置し、同様のリサージュ波形を評価した。この直交する三面には、いずれも銀のコーティングが施されている。評価の結果、コーナキューブプリズムに代えた場合、リサージュ波形の直径が６５％〜７０%に縮減した。
ここで、干渉現象を発生させたとき、干渉縞強度 I は次式で表わされる。 a は移動側の光の振幅であり、 b は参照側の光の振幅である。
【数２】
【００４１】
上式に示すように、干渉縞強度 I は時間 t と共に、4ab で示される大きさの強度変化を起こす。この強度変化がリサージュ波形の振幅となる。比較例において b1 を平面鏡使用時の参照側の光の振幅とし、 b2 をコーナキューブプリズム使用時の参照側の光の振幅とすれば、4ab2 ／ 4ab1 ＝( 65 〜 70 )％／ 100 ％となる。各参照側の光の強度比は、次のようになる。
【数３】
【００４２】
すなわち、干渉現象を起こす前の参照側の光強度がコーナキューブプリズムを用いることによって半分以下に低下する。
次に、本発明のレーザ反射体の効果の推定値について説明する。比較例のコーナキューブプリズムを本発明のレーザ反射体に代えた場合、上記リサージュ波形の振幅は、コーナキューブプリズムの場合の中間あたり、つまり、少なくとも８０％〜８５％になると推定できる。その理由は、本発明のレーザ反射体の場合、対物レンズの表面や球体の表面反射や球体内部での吸収による減衰があるものの、コーナキューブプリズムを使う場合のように、レーザ光が３稜線で蹴られたり、６分割されたりしないからである。平面鏡使用時の参照側の光に対する本発明のレーザ反射体使用時の参照側の光の強度比は、4ab2 ／ 4ab1 ＝( 80 〜 85 )％／ 100 ％より、次のようになる。
【数４】
【００４３】
以上から、本発明のレーザ反射体によれば２８％〜３６％の反射光強度の減衰にとどまるものと予想できる。つまり、コーナキューブプリズムの５１％〜５８％という５０%以上の強度の減衰に比べて、減衰を４０％以下に抑える効果があると言える。
【符号の説明】
【００４４】
２ ：干渉計本体（照射手段）
３、１０３、２０３ ：レーザ反射体
４、１０４、２０４ ：球体
５、１０５ ：レンズ
７、１０７、２０７ ：筺体（支持部材）
１２ ：被覆体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズと前記球体で１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させるレーザ反射体であって、
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置され、
前記球体の中心は、前記レンズの中心と当該レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ１）とを結ぶ線上で、かつ、前記レンズの焦点（Ｆ１）が当該球体の外となるように配置され、
前記被覆体は、前記レンズの焦点（Ｆ１）に近い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ１）を少なくとも含む領域を覆い、
前記レンズの中心と前記球体の中心との距離（Ｓ１）、および、前記球体の屈折率（ｎ１）は、前記レンズによって前記焦点（Ｆ１）に向けて集光されるレーザ光を、前記球体で屈折させて、かつ当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ１）に集光させるように設定され、
前記交点（Ｑ１）に集光されたレーザ光を、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すとともに、
前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記交点（Ｑ１）から外れた前記球体の表面上の点に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とするレーザ反射体。
【請求項２】
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズで前記球体の内部の１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させるレーザ反射体であって、
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置され、
前記球体の中心は、前記レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ２）に一致し、
前記被覆体は、前記レンズから遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ａ２）を中心に、前記レーザ光が前記球体を照射する面積と略同じ面積を少なくとも含む領域を覆い、
前記レンズによって前記球体の内部の前記焦点（Ｆ２）に集光されるレーザ光を、前記焦点（Ｆ２）から所定の領域まで広がった状態で前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すとともに、
前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記焦点（Ｆ２）から外れた焦点面上の点（Ｑ２’）に集光させて、さらに所定の領域まで広がった状態にして前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とするレーザ反射体。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザ反射体において、
前記支持部材には、前記照射手段からのレーザ光の直径を制限する円形の窓が形成されていることを特徴とするレーザ反射体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザ反射体において、
前記支持部材は、前記光軸（Ｐ軸）に略平行な方向に移動自在な移動台に取付け可能に設けられ、当該支持部材には、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とに相当する位置にそれぞれ取付け用の孔が形成され、かつ、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とをそれぞれ表示する表示手段が設けられていることを特徴とするレーザ反射体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のレーザ反射体において、
前記被覆体は、銀の反射膜と、この反射膜を外部から覆う保護膜とを有することを特徴とするレーザ反射体。
【請求項６】
請求項３から５のいずれかに記載のレーザ反射体において、
前記レンズおよび前記球体の代わりに、照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられる球体を備え、
前記支持部材は、前記球体を保持し、
前記被覆体は、前記照射手段から遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ３）を少なくとも含む領域を覆い、
前記球体の屈折率（ｎ３）はｎ３＝２に設定され、
前記球体に入射されるレーザ光を、屈折率ｎ３＝２で屈折させて当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ３）に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とするレーザ反射体。
【請求項１】
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズと前記球体で１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させるレーザ反射体であって、
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置され、
前記球体の中心は、前記レンズの中心と当該レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ１）とを結ぶ線上で、かつ、前記レンズの焦点（Ｆ１）が当該球体の外となるように配置され、
前記被覆体は、前記レンズの焦点（Ｆ１）に近い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ１）を少なくとも含む領域を覆い、
前記レンズの中心と前記球体の中心との距離（Ｓ１）、および、前記球体の屈折率（ｎ１）は、前記レンズによって前記焦点（Ｆ１）に向けて集光されるレーザ光を、前記球体で屈折させて、かつ当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ１）に集光させるように設定され、
前記交点（Ｑ１）に集光されたレーザ光を、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すとともに、
前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記交点（Ｑ１）から外れた前記球体の表面上の点に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とするレーザ反射体。
【請求項２】
照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられるレンズおよび球体と、
前記球体の表面を覆いレーザ光を反射する被覆体と、
前記レンズと前記球体の位置関係を保持する支持部材と、
を備え、前記照射手段からのレーザ光を前記レンズで前記球体の内部の１点に集光させ、前記被覆体で反射させることによって、前記光軸（Ｐ軸）と平行に前記照射手段に向けて反射させるレーザ反射体であって、
前記レンズの中心および焦点は、前記光軸（Ｐ軸）上に配置され、
前記球体の中心は、前記レンズよりも前記照射手段から遠い方の焦点（Ｆ２）に一致し、
前記被覆体は、前記レンズから遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ａ２）を中心に、前記レーザ光が前記球体を照射する面積と略同じ面積を少なくとも含む領域を覆い、
前記レンズによって前記球体の内部の前記焦点（Ｆ２）に集光されるレーザ光を、前記焦点（Ｆ２）から所定の領域まで広がった状態で前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すとともに、
前記支持部材の姿勢が変化して、前記レンズおよび前記球体の各中心を結ぶ線が前記光軸（Ｐ軸）に対して傾斜した状態では、入射されるレーザ光を、前記レンズと前記球体によって前記焦点（Ｆ２）から外れた焦点面上の点（Ｑ２’）に集光させて、さらに所定の領域まで広がった状態にして前記被覆体により反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とするレーザ反射体。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザ反射体において、
前記支持部材には、前記照射手段からのレーザ光の直径を制限する円形の窓が形成されていることを特徴とするレーザ反射体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザ反射体において、
前記支持部材は、前記光軸（Ｐ軸）に略平行な方向に移動自在な移動台に取付け可能に設けられ、当該支持部材には、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とに相当する位置にそれぞれ取付け用の孔が形成され、かつ、前記球体の中心と前記レーザ光を集光させる点と前記被覆体の位置とをそれぞれ表示する表示手段が設けられていることを特徴とするレーザ反射体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のレーザ反射体において、
前記被覆体は、銀の反射膜と、この反射膜を外部から覆う保護膜とを有することを特徴とするレーザ反射体。
【請求項６】
請求項３から５のいずれかに記載のレーザ反射体において、
前記レンズおよび前記球体の代わりに、照射手段からのレーザ光の光軸（Ｐ軸）上に設けられる球体を備え、
前記支持部材は、前記球体を保持し、
前記被覆体は、前記照射手段から遠い方の前記球体の半球面上の領域で、この半球面と前記光軸（Ｐ軸）との交点（Ｑ３）を少なくとも含む領域を覆い、
前記球体の屈折率（ｎ３）はｎ３＝２に設定され、
前記球体に入射されるレーザ光を、屈折率ｎ３＝２で屈折させて当該球体の内部を通って前記被覆体で覆われた前記交点（Ｑ３）に集光させて、前記被覆体で反射させることで、前記光軸（Ｐ軸）と平行な反射光として前記照射手段に戻すことを特徴とするレーザ反射体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１９１１７５（Ｐ２０１１−１９１１７５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５７４５５（Ｐ２０１０−５７４５５）
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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