計測装置
【課題】計測装置の測長軸の調整を不要とし、簡便な取り付け及び光学素子の汚染防止の点で有利な技術を提供する。
【解決手段】参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、光源からの光を分割させる光分割素子と、前記参照面、前記被検面及び前記光分割素子を内部に収納すると共に、前記内部において前記参照面及び前記光分割素子を固定するハウジングと、前記ハウジングの外部に設けられ、前記光分割素子から前記参照面までの第１の光路長と前記光分割素子から前記被検面までの第２の光路長とが等しくなるときの前記被検面の位置を示す測長基点を表示する第１の表示部と、前記ハウジングの外部に設けられ、前記第２の光の光路に平行な軸を示す測長軸を表示する第２の表示部と、前記参照面と前記被検面からの反射光との干渉信号から前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する処理部と、を有することを特徴とする計測装置を提供する。
【解決手段】参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、光源からの光を分割させる光分割素子と、前記参照面、前記被検面及び前記光分割素子を内部に収納すると共に、前記内部において前記参照面及び前記光分割素子を固定するハウジングと、前記ハウジングの外部に設けられ、前記光分割素子から前記参照面までの第１の光路長と前記光分割素子から前記被検面までの第２の光路長とが等しくなるときの前記被検面の位置を示す測長基点を表示する第１の表示部と、前記ハウジングの外部に設けられ、前記第２の光の光路に平行な軸を示す測長軸を表示する第２の表示部と、前記参照面と前記被検面からの反射光との干渉信号から前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する処理部と、を有することを特徴とする計測装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械装置などにおいて、距離の計測に使用可能な高精度、且つ、高分解能を実現する測長システムとして、レーザ干渉計（計測装置）が知られている（非特許文献１参照）。工作機械装置においてレーザ干渉計を使用する際には、工作機械装置で発生する油など（即ち、光学素子を汚染する汚染物質）からのレーザ干渉計の保護、及び、工作機械装置で発生する熱などに起因した温度変化に対する測長値の保証が重要になる。
【０００３】
そこで、非特許文献１では、レーザ干渉計を構成する各光学素子を工作機械装置に組み込んだ（取り付けた）後に、レーザ干渉計の全体を覆うカバーを取り付け可能とする技術が提案されている。また、非特許文献１では、カバーの内部をクリーンドライエアでパージすることで、レーザ干渉計の計測環境のクリーン化を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＨＳ１０ Ｌａｓｅｒ ｓｃａｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｎｕａｌ （ＲＥＮＩＳＨＡＷ社）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ干渉計では、測長基準となる参照面と被検面とが別体として工作機械装置に組み込まれるため、レーザ干渉計を覆うカバーを取り付ける前に、レーザ干渉計の光軸（測長軸）を工作機械装置上で調整することが不可欠となる。その結果、レーザ干渉計の組み込みに時間を要すると共に、レーザ干渉計（を構成する光学素子）が汚染度の高い工作機械装置の環境内に長時間曝されるため、光学素子の汚染リスクを高めてしまっていた。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、計測装置の測長軸の調整を不要とし、簡便な取り付け及び光学素子の汚染防止の点で有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、光源からの光を第１の光と第２の光とに分割し、前記第１の光を前記参照面に入射させ、前記第２の光を前記被検面に入射させる光分割素子と、前記参照面、前記被検面及び前記光分割素子を内部に収納すると共に、前記内部において前記参照面及び前記光分割素子を固定するハウジングと、前記ハウジングの外部に設けられ、前記光分割素子から前記参照面までの前記第１の光の光路長と前記光分割素子から前記被検面までの前記第２の光の光路長とが等しくなるときの前記被検面の位置を示す測長基点を表示する第１の表示部と、前記ハウジングの外部に設けられ、前記第２の光の光路に平行な軸を示す測長軸を表示する第２の表示部と、前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する処理部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えば、計測装置の測長軸の調整を不要とし、簡便な取り付け及び光学素子の汚染防止の点で有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の位相検出部の構成を示す概略図である。
【図３】レーザ干渉計における測長基点と測長軸との関係を示す図である。
【図４】図１に示す計測装置の取り付けを説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計測装置である。計測装置１は、光源１０１と、ファイバ１０２と、コリメータユニット１０３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４と、参照面１０５と、ベンダー１０６と、被検面１０７と、位相検出部１０８と、処理部１０９とを有する。また、計測装置１は、ＰＢＳ１０４、参照面１０５、ベンダー１０６、被検面１０７を収納するための中空ハウジング１１０と、キャリッジ１１１とを有する。また、計測装置１は、中空ハウジング１１０の外部から測長座標を明示するために、測長軸を表示する測長軸表示部（第２の表示部）１１２と、測長基点を表示する測長基点表示部（第１の表示部）１１３とを有する。また、計測装置１は、環境検出部１１５と、チューブ１１６と、シール１１７とを有する。
【００１３】
光源１０１から射出された光は、ファイバ１０２を介して、コリメータユニット１０３に伝播される。コリメータユニット１０３は、中空ハウジング１１０に保持され、光源１０１からの光を空間伝播の平行光に変換する。光源１０１は、本実施形態では、波長が安定化された単一縦周波数レーザを使用し、光源１０１からは、直線偏光を有する光が射出される。但し、光源１０１は、ヨウ素安定化ＨｅＮｅレーザやガス吸収線などに安定化されたＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザを使用してもよい。ファイバ１０２は、安定した偏光の伝播を実現するために、偏波面保存タイプのシングルモードファイバを使用する。
【００１４】
ＰＢＳ１０４は、コリメータユニット１０３からの光を２つの光（第１の光及び第２の光）に分割する。ＰＢＳ１０４で分割される２つの光のうち、ＰＢＳ１０４で反射される光（第１の光）は、参照面１０５に入射し、ＰＢＳ１０４を透過する光（第２の光）は、被検面１０７に入射する。このように、ＰＢＳ１０４は、光源１０１からの光を２つの光に分割し、一方の光を参照面１０５に入射させ、他方の光を被検面１０７に入射させる光分割素子として機能する。コリメータユニット１０３から射出される光の直線偏光の角度を、ＰＢＳ１０４の偏光軸に対して４５度にすることで、ＰＢＳ１０４で反射される光の光量とＰＢＳ１０４を透過する光の光量とを等しくすることができる。
【００１５】
参照面１０５は、ブラケット（不図示）を介して、中空ハウジング１１０（の内部）に固定されている（取り付けられている）。参照面１０５は、例えば、複数の反射面からなるコーナキューブで構成され、ＰＢＳ１０４からの光（ＰＢＳ１０４で反射された光）を入射角度と同一の角度で反射する。参照面１０５で反射された光（以下、「参照光」とする）は、ＰＢＳ１０４で反射され、位相検出部１０８に入射する。
【００１６】
被検面１０７は、例えば、複数の反射面からなるコーナキューブで構成され、ＰＢＳ１０４からの光（ＰＢＳ１０４を透過した光）を入射角度と同一の角度で反射する。被検面１０７で反射された光（以下、「被検光」とする）は、ＰＢＳ１０４を透過し、位相検出部１０８に入射する。本実施形態では、光の伝播方向を偏向するベンダー１０６がＰＢＳ１０４と被検面１０７との間の光路に配置され、被検面１０７とベンダー１０６との間の光路における被検光と参照面１０５とＰＢＳ１０４との間の光路における参照光とを平行にしている。ここで、被検面１０７は、被検体を載置するキャリッジ１１１に固定されている（取り付けられている）。また、キャリッジ１１１の移動と中空ハウジング１１０（の内部）の気密性とを両立させるために、中空ハウジング１１０におけるキャリッジ１１１の移動範囲は、シール１１７で保護されている。なお、計測装置１を使用していない状態において、キャリッジ１１１が中空ハウジング１１０から滑落することを防止するために、キャリッジ１１１は、中空ハウジング１１０の内部に設けられたガイド（不図示）で緩く拘束されている。
【００１７】
位相検出部１０８は、参照光と被検光との干渉光を検出し、かかる干渉光に対応する干渉信号（参照光と被検光との干渉信号）を生成する。図２は、位相検出部１０８の構成を示す概略図である。位相検出部１０８は、λ／４板２２１と、グレーティングビームスプリッタ２２２と、偏光子アレイ２２３と、３つの既知の位相差の干渉信号を検出するための３つの光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃとを含む。
【００１８】
位相検出部１０８に入射する被検光と参照光とは、互いに直交する直線偏光を有し、偏光方向に対して４５度の角度に軸を有するλ／４板２２１を透過して、それぞれ右回りの円偏光と左回りの円偏光とに変換される。グレーティングビームスプリッタ２２２は、位相型の回折格子で構成され、λ／４板２２１を透過した光を３つの光（０次光及び±１次光）に均等に分割する。
【００１９】
グレーティングビームスプリッタ２２２で分割された光は、それぞれの光に対して異なる透過軸を有する偏光子となるように構成された偏光子アレイ２２３を透過し、光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃで検出される。光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃのそれぞれで検出される干渉信号Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、偏光子アレイ２２３における偏光子の透過軸の角度に応じた既知の位相差を含む信号となる。例えば、既知の位相差を１２０度とすると、光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃのそれぞれで検出される干渉信号Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、以下の式（１）で表される。ここでは、被検光と参照光との間の光路長（光路長差）に対応する位相差をφとしている。
【００２０】
【数１】
【００２１】
処理部１０９は、位相検出部１０８の検出結果（即ち、被検光と参照光との干渉信号）から、参照面１０５と被検面１０７との間の距離を算出する。処理部１０９は、例えば、ＡＤ変換回路を介して、式（１）で表される３つの干渉信号Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃをデジタル化し、以下の式（２）に従って、参照光と被検光との位相差φを波長単位で算出する。
【００２２】
【数２】
【００２３】
本実施形態では、被検光と参照光との干渉信号の検出方式として、複数の既知の位相差を含む干渉信号を同時に検出するホモダイン検出を採用しているが、被検光の波長と参照光の波長とをわずかにずらしてビート信号を検出するヘテロダイン検出を採用してもよい。
【００２４】
また、処理部１０９は、環境検出部１１５の検出結果に基づいて、被検光の光路（の媒質）の屈折率を求める。環境検出部１１５は、中空ハウジング１１０の内部をパージするためのチューブ１１６（の吹き出し口）の近傍に配置される。環境検出部１１５は、中空ハウジング１１０の内部の環境を検出する様々なセンサを含み、少なくとも、中空ハウジング１１０の内部の温度及び気圧を検出する。本実施形態では、チューブ１１６からは、湿度が十分に低く、且つ、計測装置１が配置される雰囲気内（例えば、工作機械装置内）のオイルミストを除去したドライクリーンエアが吹き出されるものとする。処理部１０９は、環境検出部１１５で検出された温度ｔ［℃］及び気圧ｐ［Ｐａ］からＥｄｌｅｎの式を用いて、以下の式３で表される被検光の光路の屈折率ｎ（λ）を求める。
【００２５】
【数３】
【００２６】
そして、処理部１０９は、参照面１０５と被検面１０７との間の光路長に対応する位相を被検光の光路の屈折率で除算することで参照面１０５と被検面１０７との間の幾何学的な距離を算出する。具体的には、処理部１０９は、光源１０１からの光の波長λ、参照光と被検光との位相差φ及び被検光の光路の屈折率ｎ（λ）を用いて、以下の式（４）から参照面１０５と被検面１０７との間の幾何学的な距離Ｄを算出する。ここで、Ｎは、整数値の干渉次数である。
【００２７】
【数４】
【００２８】
本実施形態では、被検光の光路の屈折率を求める際に、中空ハウジング１１０の内部の温度及び気圧と被検光の光路の屈折率との関係を表すモデル式を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、同一距離を有する真空光路と大気光路との測長値差を計測する差分干渉計を中空ハウジング１１０の内部に配置して屈折率を計測することでモデル式の精度に起因する誤差を補正することが可能である。また、中空ハウジング１１０の内部の屈折率分布が無視できない場合には、２波長干渉計と空気の屈折率分散（既知の分散特性）を利用して屈折率を補正する方法、所謂、２色法を採用してもよい。２色法では、湿度による空気の屈折率分散が代表的な精度阻害要因となるが、クリーンドライエアでパージされた環境においては、その影響を低減することができる。なお、湿度の影響を補正する必要がある場合には、水蒸気の赤外吸収を利用して測長光路と同一光路における水蒸気圧を計測し、かかる計測結果に基づいて空気の屈折率分散を補正することで、湿潤環境下においても高精度な２色法を実現することができる。
【００２９】
本実施形態では、処理部１０９で求められる参照光と被検光との位相差φは端数（０〜１［ｗａｖｅ］）であるため、位相検出部１０８の検出結果のみから干渉次数Ｎを決定することができない。干渉次数Ｎを決定するためには、被検面１０７が既知の位置に存在することを示すリミットセンサ（不図示）を配置すればよい。そして、被検面１０７がリミットセンサを通過したときに干渉次数をリセットし、それ以降は、位相検出部１０８の検出結果（履歴）に基づいて干渉次数を増減させる。なお、計測装置１のシャットダウンなどで位相検出部１０８による干渉信号の検出が途切れない限り、干渉次数の再リセットは不要である。
【００３０】
また、互いに異なる複数の波長の光を射出する光源を光源１０１に用いることで、計測装置１は、参照面１０５と被検面１０７との間の絶対距離を計測することも可能である。この場合、処理部１０９は、複数の波長の光のそれぞれについて位相検出部１０８で検出される干渉信号（即ち、複数の波長の光に対応する複数の干渉信号）から得られる参照面１０５と被検面１０７との間の光路長に対応する位相に基づいて、絶対距離を算出する。
【００３１】
計測装置１で計測された距離Ｄは、工作機械装置などにおける被検側基準体と参照側基準体（例えば、図４で後述する被検側基準体４３２と参照側基準体４３１）との位置計測に用いることができる。但し、計測装置１の測長基点と測長軸（の方向）を、被検側基準体と参照側基準体のそれらに一致させる必要がある。ここで、測長基点とは、測長の基準となる点であって、計測装置１が熱膨張や熱収縮した際にも測長値が変化しない点であり、特に、工作機械装置内などの温度変化が大きい環境において重要な基準となる。また、測長軸は、測長方向を示す軸である。
【００３２】
計測装置１における測長軸及び測長基点について詳細に説明する。レーザ干渉計を用いた計測装置１では、参照光の光路長に対する被検光の光路長により測長を行うため、測長軸は、被検光の光路に平行な軸（被検光の光軸）となる。また、熱膨張や熱収縮により測長値が変化しないための条件（第１条件）は、「測長基点から被検光の光路に向けて垂線を降ろし、被検光の光路と垂線との交点の位置に被検面を配置したときの被検光の光路長が参照光の光路長と等しい」こととなる。また、温度が変化しても第１条件を満たすためには、被検光及び参照光の光路長を構成する硝材光路長と大気光路長とが等しいことが必要となる。従って、「被検光の光路を構成する硝材光路長と参照光の光路を構成する硝材光路長とが等しい」ことも条件（第２条件）となる。但し、第２条件は、温度による硝材の屈折率の変化に起因する光路長の影響に依存する条件であるため、温度を計測してその差を補正すれば必ずしも必要ではない。
【００３３】
図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、レーザ干渉計における測長基点と測長軸との関係を示す図である。図３（ａ）は、マイケルソン干渉計における測長基点と測長軸とを示しており、第２条件を満たしている。図３（ａ）を参照するに、第１条件を満たす測長基点は、被検光の光路長と被検光の光路長とが等しくなるときの被検面の位置を通り、被検光の光路に垂直な平面Ａ内の任意の点となる。図３（ｂ）は、マイケルソン干渉計の変形例（本実施形態の計測装置１と同様な構成）における測長基点と測長軸とを示しており、測長基点は、平面Ａ内の任意の点となる。図３（ｂ）は、差分干渉計における測長基点と測長軸とを示しており、測長基点は、平面Ａ内の任意の点となる。
【００３４】
図３（ａ）乃至図３（ｃ）から明らかなように、いずれのレーザ干渉計においても、測長基点を測長ストロークの近接端から離すほど、測長基点と光分割素子とが離れる傾向にある。従って、従来技術のように、光分割素子と被検面とが独立した構成では、測長基点及び測長軸を保証することが困難となる。特に、工作機械装置における測長システムでは、測長ストロークの中点に測長基点を設定する場合が多いため、測長基点及び測長軸を保証することができない。
【００３５】
本実施形態の計測装置１では、参照面１０５、被検面１０７及びＰＢＳ１０４を中空ハウジング１１０に収納（ユニット化）し、その内部において参照面１０５及びＰＢＳ１０４を固定することで、測長基点及び測長軸を保証している。具体的には、被検光の光路に平行な軸を示す測長軸は、測長軸表示部１１２の基準底面１１２ａと基準底面１１２ｂとを結ぶ直線で保証される。なお、測長軸表示部１１２は、中空ハウジング１１０の外部に設けられる際に、基準底面１１２ａと基準底面１１２ｂとを結ぶ直線が被検光の光路に対して所望の平行度となるように調整される。また、ＰＢＳ１０４から参照面１０５までの参照光の光路長とＰＢＳ１０４から被検面１０７までの被検光の光路長とが等しくなるときの被検面１０７の位置を示す測長基点は、測長基点表示部１１３の指標１１３ａで保証される。なお、測長基点表示部１１３は、中空ハウジング１１０の外部に設けられる際に、指標１１３ａが第１条件を満たす位置を示すように調整される。
【００３６】
本実施形態では、参照面１０５と測長基点表示部１１３とは、中空ハウジング１１０を介して固定されている。但し、参照面１０５と測長基点表示部１１３とを連結する連結部材を介して、参照面１０５と測長基点表示部１１３とを中空ハウジング１１０に固定してもよい。この場合、中空ハウジング１１０と参照面１０５との位置関係を外部から変更可能とすることで、測長基点の切り替えを容易に行うことができる。
【００３７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、工作機械装置などへの計測装置１の取り付けについて説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、参照側基準体４３１を基準として、走り軸に沿って１軸方向のスライドが可能な被検側基準体４３２の位置を計測装置１が計測する場合を示している。図４（ａ）は、参照側基準体４３１及び被検側基準体４３２に取り付けられた計測装置１の状態を示す図であって、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す矢印α方向からの計測装置１の状態を示す図である。
【００３８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、中空ハウジング１１０を参照側基準体４３１に取り付け、キャリッジ１１１を被検側基準体４３２に取り付ける。この際、被検側基準体４３２の走り軸と、測長軸表示部１１２の基準底面１１２ａと基準底面１１２ｂとを結ぶ直線とが平行となり、測長基点表示部１１３の指標１１３ａと参照側基準体４３１の基準点とが一致するように、中空ハウジング１１０が取り付けられる。また、温度が変化した場合であっても、測長基点表示部１１３（指標１１３ａ）が参照側基準体４３１に対して変化しないことが必要であるため、中空ハウジング１１０は、測長基点表示部１１３において参照側基準体４３１に締結される。中空ハウジング１１０と参照側基準体４３１との他の締結部には、ヒンジ機構などを設けることで、中空ハウジング１１０を保持しながら熱変形をかわすようにする。
【００３９】
従来技術では、レーザ干渉計を取り付ける際に、レーザ干渉計を構成する光学素子がばらばらに組み込まれるため、被検側基準体の走り軸と測長軸とが一致するように、かかる光学素子を調整しなければならない。一方、本実施形態では、計測装置１を構成するＰＢＳ１０４、参照面１０５、ベンダー１０６、被検面１０７などが中空ハウジング１１０に収納（ユニット化）され、測長軸を表示する測長軸表示部１１２が中空ハウジング１１０の外部に設けられている。従って、計測装置１を取り付ける際には、測長軸表示部１１２を用いて中空ハウジング１１０の位置及び姿勢を調整すればよく、計測装置１を構成するＰＢＳ１０４、参照面１０５、ベンダー１０６、被検面１０７などを調整することが不要となる。その結果、計測装置１を容易（簡便）に取り付けることができ、計測装置１の取り付けに要する時間を短縮することが可能となる。また、計測装置１の主な利用用途として想定される工作機械装置の環境、即ち、大気中に油分が含まれやすい環境に計測装置１を構成する光学素子を曝す必要がなくなるため、かかる光学素子の汚染を防止することができる。また、測長基点をメカ的な構成と光学的な構成とで実現しているため、高精度な保証が可能である。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における計測装置１Ａの構成を示す概略図である。計測装置１Ａは、参照面と被検面との間の距離に加えて、被検面の姿勢を計測する光波干渉計測装置である。計測装置１Ａは、計測装置１と同様な構成を有するが、非偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）１３０と、ベンダー１３１と、コーナキューブ１３２ａ及び１３２ｂとを更に有する。また、計測装置１Ａは、位相検出部１０８の代わりに、第１の位相検出部１０８ａと、第２の位相検出部１０８ｂとを有する。
【００４１】
ＮＰＢＳ１３０は、コリメータユニット１０３からの光を２つの光に分割する。ＮＰＢＳ１３０で分割される２つの光のうち、ＮＰＢＳ１３０を透過する光（第１の計測光）は、ＰＢＳ１０４に入射し、ＮＰＢＳ１３０で反射される光（第２の計測光）は、ベンダー１３１を介して、ＰＢＳ１０４に入射する。このように、ＮＰＢＳ１３０は、光源１０１からの光を複数の光に分割し、かかる複数の光をＰＢＳ１０４に入射させる光学素子として機能する。
【００４２】
ＮＰＢＳ１３０からの第１の計測光は、ＰＢＳ１０４で２つの光に分割される。ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４で反射された光（第１の光）は、λ／４板１３３を透過することで円偏光に変換され、参照面１０５の位置１０５ａで反射される。参照面１０５（の位置１０５ａ）で反射された光（第１の参照光）は、λ／４板１３３を再び透過することで直線偏光に変換され、ＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４に入射した第１の参照光は、ＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ａで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第１の参照光は、λ／４板１３３、参照面１０５（の位置１０５ａ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第１の位相検出部１０８ａに入射する。また、ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４を透過した光（第２の光）は、λ／４板１３３を透過し、被検面１０７の位置１０７ａで反射される。被検面１０７（の位置１０７ａ）で反射された光（第１の被検光）は、λ／４板１３３及びＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ａで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第１の被検光は、λ／４板１３３、被検面１０７（の位置１０７ａ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第１の位相検出部１０８ａに入射する。
【００４３】
一方、ＮＰＢＳ１３０からの第２の計測光は、ＰＢＳ１０４で２つの光に分割される。ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４で反射された光（第１の光）は、λ／４板１３３を透過することで円偏光に変換され、参照面１０５の位置１０５ｂで反射される。参照面１０５（の位置１０５ｂ）で反射された光（第２の参照光）は、λ／４板１３３を再び透過することで直線偏光に変換され、ＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４に入射した第２の参照光は、ＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ｂで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第２の参照光は、λ／４板１３３、参照面１０５（の位置１０５ｂ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第２の位相検出部１０８ｂに入射する。また、ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４を透過した光（第２の光）は、λ／４板１３３を透過して、被検面１０７の位置１０７ｂで反射される。被検面１０７（の位置１０７ｂ）で反射された光（第２の被検光）は、λ／４板１３３及びＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ｂで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第２の被検光は、λ／４板１３３、被検面１０７（の位置１０７ｂ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第２の位相検出部１０８ｂに入射する。
【００４４】
第１の位相検出部１０８ａは、第１の参照光と第１の被検光との干渉光を検出し、かかる干渉光に対応する干渉信号を生成する。同様に、第２の位相検出部１０８ｂは、第２の参照光と第２の被検光との干渉光を検出し、かかる干渉光に対応する干渉信号を生成する。
【００４５】
処理部１０９は、第１の位相検出部１０８ａの検出結果（即ち、第１の被検光と第１の参照光との干渉信号）から、参照面１０５の位置１０５ａと被検面１０７の位置１０７ａとの間の距離を算出する。また、処理部１０９は、第２の位相検出部１０８ｂの検出結果（即ち、第２の被検光と第２の参照光との干渉信号）から、参照面１０５の位置１０５ｂと被検面１０７の位置１０７ｂとの間の距離を算出する。このように、本実施形態では、光源１０１からの光を第１の計測光と第２の計測光とに分割して、被検面１０７の異なる複数の位置（位置１０７ａ及び１０７ｂ）を測長しているため、被検面１０７の姿勢を算出することが可能である。例えば、参照面１０５の位置１０５ａと被検面１０７の位置１０７ａとの間の距離（第１の計測光による測長結果）をＤｍ１、参照面１０５の位置１０５ｂと被検面１０７の位置１０７ｂとの間の距離（第２の計測光による測長結果）をＤｍ２とする。また、被検面１０７における位置１０７ａと位置１０７ｂとの間の距離をｄとする。この場合、処理部１０９は、以下の式（５）から被検面１０７の姿勢θを算出する。
【００４６】
【数５】
【００４７】
キャリッジ１１１は、第１の実施形態で説明したように、被検側基準体４３２に取り付けられるため、被検面１０７の姿勢（姿勢変化）は、被検側基準体４３２の姿勢（姿勢変化）と等価である。被検面１０７（被検側基準体４３２）の姿勢変化に起因する測長誤差は、一般的に、アッベ誤差と呼ばれるが、被検面１０７（被検側基準体４３２）の姿勢が式（５）から明らかになれば、その補正が可能となる。
【００４８】
このように、本実施形態の計測装置１Ａは、複数の測長軸を比較的容易に実現できる干渉計の長所を利用し、被検面１０７の姿勢を計測することでアッベ誤差の補正を可能にしている。なお、本実施形態では、第１の計測光と第２の計測光のそれぞれを被検面の複数の位置及び参照面の複数の位置に入射させているが、これに限定されるものではない。例えば、第１の計測光に対応する参照面及び被検面と第２の計測光に対応する参照面及び被検面とを別々に配置してもよい。具体的には、第１の計測光及び第２の計測光（複数の計測光）のそれぞれに対応する参照面部分をそれぞれ含み、かかる参照面部分で参照面を形成する複数の参照面部材を配置する。更に、第１の計測光及び第２の計測光（複数の計測光）のそれぞれに対応する被検面部分をそれぞれ含み、かかる被検面部分で被検面を形成する複数の被検面部材を配置する。このような構成であっても、被検面の姿勢を計測することが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械装置などにおいて、距離の計測に使用可能な高精度、且つ、高分解能を実現する測長システムとして、レーザ干渉計（計測装置）が知られている（非特許文献１参照）。工作機械装置においてレーザ干渉計を使用する際には、工作機械装置で発生する油など（即ち、光学素子を汚染する汚染物質）からのレーザ干渉計の保護、及び、工作機械装置で発生する熱などに起因した温度変化に対する測長値の保証が重要になる。
【０００３】
そこで、非特許文献１では、レーザ干渉計を構成する各光学素子を工作機械装置に組み込んだ（取り付けた）後に、レーザ干渉計の全体を覆うカバーを取り付け可能とする技術が提案されている。また、非特許文献１では、カバーの内部をクリーンドライエアでパージすることで、レーザ干渉計の計測環境のクリーン化を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＨＳ１０ Ｌａｓｅｒ ｓｃａｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｎｕａｌ （ＲＥＮＩＳＨＡＷ社）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ干渉計では、測長基準となる参照面と被検面とが別体として工作機械装置に組み込まれるため、レーザ干渉計を覆うカバーを取り付ける前に、レーザ干渉計の光軸（測長軸）を工作機械装置上で調整することが不可欠となる。その結果、レーザ干渉計の組み込みに時間を要すると共に、レーザ干渉計（を構成する光学素子）が汚染度の高い工作機械装置の環境内に長時間曝されるため、光学素子の汚染リスクを高めてしまっていた。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、計測装置の測長軸の調整を不要とし、簡便な取り付け及び光学素子の汚染防止の点で有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、光源からの光を第１の光と第２の光とに分割し、前記第１の光を前記参照面に入射させ、前記第２の光を前記被検面に入射させる光分割素子と、前記参照面、前記被検面及び前記光分割素子を内部に収納すると共に、前記内部において前記参照面及び前記光分割素子を固定するハウジングと、前記ハウジングの外部に設けられ、前記光分割素子から前記参照面までの前記第１の光の光路長と前記光分割素子から前記被検面までの前記第２の光の光路長とが等しくなるときの前記被検面の位置を示す測長基点を表示する第１の表示部と、前記ハウジングの外部に設けられ、前記第２の光の光路に平行な軸を示す測長軸を表示する第２の表示部と、前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する処理部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えば、計測装置の測長軸の調整を不要とし、簡便な取り付け及び光学素子の汚染防止の点で有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の位相検出部の構成を示す概略図である。
【図３】レーザ干渉計における測長基点と測長軸との関係を示す図である。
【図４】図１に示す計測装置の取り付けを説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、参照面と被検面との間の距離を計測する光波干渉計測装置である。計測装置１は、光源１０１と、ファイバ１０２と、コリメータユニット１０３と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４と、参照面１０５と、ベンダー１０６と、被検面１０７と、位相検出部１０８と、処理部１０９とを有する。また、計測装置１は、ＰＢＳ１０４、参照面１０５、ベンダー１０６、被検面１０７を収納するための中空ハウジング１１０と、キャリッジ１１１とを有する。また、計測装置１は、中空ハウジング１１０の外部から測長座標を明示するために、測長軸を表示する測長軸表示部（第２の表示部）１１２と、測長基点を表示する測長基点表示部（第１の表示部）１１３とを有する。また、計測装置１は、環境検出部１１５と、チューブ１１６と、シール１１７とを有する。
【００１３】
光源１０１から射出された光は、ファイバ１０２を介して、コリメータユニット１０３に伝播される。コリメータユニット１０３は、中空ハウジング１１０に保持され、光源１０１からの光を空間伝播の平行光に変換する。光源１０１は、本実施形態では、波長が安定化された単一縦周波数レーザを使用し、光源１０１からは、直線偏光を有する光が射出される。但し、光源１０１は、ヨウ素安定化ＨｅＮｅレーザやガス吸収線などに安定化されたＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザを使用してもよい。ファイバ１０２は、安定した偏光の伝播を実現するために、偏波面保存タイプのシングルモードファイバを使用する。
【００１４】
ＰＢＳ１０４は、コリメータユニット１０３からの光を２つの光（第１の光及び第２の光）に分割する。ＰＢＳ１０４で分割される２つの光のうち、ＰＢＳ１０４で反射される光（第１の光）は、参照面１０５に入射し、ＰＢＳ１０４を透過する光（第２の光）は、被検面１０７に入射する。このように、ＰＢＳ１０４は、光源１０１からの光を２つの光に分割し、一方の光を参照面１０５に入射させ、他方の光を被検面１０７に入射させる光分割素子として機能する。コリメータユニット１０３から射出される光の直線偏光の角度を、ＰＢＳ１０４の偏光軸に対して４５度にすることで、ＰＢＳ１０４で反射される光の光量とＰＢＳ１０４を透過する光の光量とを等しくすることができる。
【００１５】
参照面１０５は、ブラケット（不図示）を介して、中空ハウジング１１０（の内部）に固定されている（取り付けられている）。参照面１０５は、例えば、複数の反射面からなるコーナキューブで構成され、ＰＢＳ１０４からの光（ＰＢＳ１０４で反射された光）を入射角度と同一の角度で反射する。参照面１０５で反射された光（以下、「参照光」とする）は、ＰＢＳ１０４で反射され、位相検出部１０８に入射する。
【００１６】
被検面１０７は、例えば、複数の反射面からなるコーナキューブで構成され、ＰＢＳ１０４からの光（ＰＢＳ１０４を透過した光）を入射角度と同一の角度で反射する。被検面１０７で反射された光（以下、「被検光」とする）は、ＰＢＳ１０４を透過し、位相検出部１０８に入射する。本実施形態では、光の伝播方向を偏向するベンダー１０６がＰＢＳ１０４と被検面１０７との間の光路に配置され、被検面１０７とベンダー１０６との間の光路における被検光と参照面１０５とＰＢＳ１０４との間の光路における参照光とを平行にしている。ここで、被検面１０７は、被検体を載置するキャリッジ１１１に固定されている（取り付けられている）。また、キャリッジ１１１の移動と中空ハウジング１１０（の内部）の気密性とを両立させるために、中空ハウジング１１０におけるキャリッジ１１１の移動範囲は、シール１１７で保護されている。なお、計測装置１を使用していない状態において、キャリッジ１１１が中空ハウジング１１０から滑落することを防止するために、キャリッジ１１１は、中空ハウジング１１０の内部に設けられたガイド（不図示）で緩く拘束されている。
【００１７】
位相検出部１０８は、参照光と被検光との干渉光を検出し、かかる干渉光に対応する干渉信号（参照光と被検光との干渉信号）を生成する。図２は、位相検出部１０８の構成を示す概略図である。位相検出部１０８は、λ／４板２２１と、グレーティングビームスプリッタ２２２と、偏光子アレイ２２３と、３つの既知の位相差の干渉信号を検出するための３つの光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃとを含む。
【００１８】
位相検出部１０８に入射する被検光と参照光とは、互いに直交する直線偏光を有し、偏光方向に対して４５度の角度に軸を有するλ／４板２２１を透過して、それぞれ右回りの円偏光と左回りの円偏光とに変換される。グレーティングビームスプリッタ２２２は、位相型の回折格子で構成され、λ／４板２２１を透過した光を３つの光（０次光及び±１次光）に均等に分割する。
【００１９】
グレーティングビームスプリッタ２２２で分割された光は、それぞれの光に対して異なる透過軸を有する偏光子となるように構成された偏光子アレイ２２３を透過し、光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃで検出される。光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃのそれぞれで検出される干渉信号Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、偏光子アレイ２２３における偏光子の透過軸の角度に応じた既知の位相差を含む信号となる。例えば、既知の位相差を１２０度とすると、光量検出器２２４ａ、２２４ｂ及び２２４ｃのそれぞれで検出される干渉信号Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、以下の式（１）で表される。ここでは、被検光と参照光との間の光路長（光路長差）に対応する位相差をφとしている。
【００２０】
【数１】
【００２１】
処理部１０９は、位相検出部１０８の検出結果（即ち、被検光と参照光との干渉信号）から、参照面１０５と被検面１０７との間の距離を算出する。処理部１０９は、例えば、ＡＤ変換回路を介して、式（１）で表される３つの干渉信号Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃをデジタル化し、以下の式（２）に従って、参照光と被検光との位相差φを波長単位で算出する。
【００２２】
【数２】
【００２３】
本実施形態では、被検光と参照光との干渉信号の検出方式として、複数の既知の位相差を含む干渉信号を同時に検出するホモダイン検出を採用しているが、被検光の波長と参照光の波長とをわずかにずらしてビート信号を検出するヘテロダイン検出を採用してもよい。
【００２４】
また、処理部１０９は、環境検出部１１５の検出結果に基づいて、被検光の光路（の媒質）の屈折率を求める。環境検出部１１５は、中空ハウジング１１０の内部をパージするためのチューブ１１６（の吹き出し口）の近傍に配置される。環境検出部１１５は、中空ハウジング１１０の内部の環境を検出する様々なセンサを含み、少なくとも、中空ハウジング１１０の内部の温度及び気圧を検出する。本実施形態では、チューブ１１６からは、湿度が十分に低く、且つ、計測装置１が配置される雰囲気内（例えば、工作機械装置内）のオイルミストを除去したドライクリーンエアが吹き出されるものとする。処理部１０９は、環境検出部１１５で検出された温度ｔ［℃］及び気圧ｐ［Ｐａ］からＥｄｌｅｎの式を用いて、以下の式３で表される被検光の光路の屈折率ｎ（λ）を求める。
【００２５】
【数３】
【００２６】
そして、処理部１０９は、参照面１０５と被検面１０７との間の光路長に対応する位相を被検光の光路の屈折率で除算することで参照面１０５と被検面１０７との間の幾何学的な距離を算出する。具体的には、処理部１０９は、光源１０１からの光の波長λ、参照光と被検光との位相差φ及び被検光の光路の屈折率ｎ（λ）を用いて、以下の式（４）から参照面１０５と被検面１０７との間の幾何学的な距離Ｄを算出する。ここで、Ｎは、整数値の干渉次数である。
【００２７】
【数４】
【００２８】
本実施形態では、被検光の光路の屈折率を求める際に、中空ハウジング１１０の内部の温度及び気圧と被検光の光路の屈折率との関係を表すモデル式を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、同一距離を有する真空光路と大気光路との測長値差を計測する差分干渉計を中空ハウジング１１０の内部に配置して屈折率を計測することでモデル式の精度に起因する誤差を補正することが可能である。また、中空ハウジング１１０の内部の屈折率分布が無視できない場合には、２波長干渉計と空気の屈折率分散（既知の分散特性）を利用して屈折率を補正する方法、所謂、２色法を採用してもよい。２色法では、湿度による空気の屈折率分散が代表的な精度阻害要因となるが、クリーンドライエアでパージされた環境においては、その影響を低減することができる。なお、湿度の影響を補正する必要がある場合には、水蒸気の赤外吸収を利用して測長光路と同一光路における水蒸気圧を計測し、かかる計測結果に基づいて空気の屈折率分散を補正することで、湿潤環境下においても高精度な２色法を実現することができる。
【００２９】
本実施形態では、処理部１０９で求められる参照光と被検光との位相差φは端数（０〜１［ｗａｖｅ］）であるため、位相検出部１０８の検出結果のみから干渉次数Ｎを決定することができない。干渉次数Ｎを決定するためには、被検面１０７が既知の位置に存在することを示すリミットセンサ（不図示）を配置すればよい。そして、被検面１０７がリミットセンサを通過したときに干渉次数をリセットし、それ以降は、位相検出部１０８の検出結果（履歴）に基づいて干渉次数を増減させる。なお、計測装置１のシャットダウンなどで位相検出部１０８による干渉信号の検出が途切れない限り、干渉次数の再リセットは不要である。
【００３０】
また、互いに異なる複数の波長の光を射出する光源を光源１０１に用いることで、計測装置１は、参照面１０５と被検面１０７との間の絶対距離を計測することも可能である。この場合、処理部１０９は、複数の波長の光のそれぞれについて位相検出部１０８で検出される干渉信号（即ち、複数の波長の光に対応する複数の干渉信号）から得られる参照面１０５と被検面１０７との間の光路長に対応する位相に基づいて、絶対距離を算出する。
【００３１】
計測装置１で計測された距離Ｄは、工作機械装置などにおける被検側基準体と参照側基準体（例えば、図４で後述する被検側基準体４３２と参照側基準体４３１）との位置計測に用いることができる。但し、計測装置１の測長基点と測長軸（の方向）を、被検側基準体と参照側基準体のそれらに一致させる必要がある。ここで、測長基点とは、測長の基準となる点であって、計測装置１が熱膨張や熱収縮した際にも測長値が変化しない点であり、特に、工作機械装置内などの温度変化が大きい環境において重要な基準となる。また、測長軸は、測長方向を示す軸である。
【００３２】
計測装置１における測長軸及び測長基点について詳細に説明する。レーザ干渉計を用いた計測装置１では、参照光の光路長に対する被検光の光路長により測長を行うため、測長軸は、被検光の光路に平行な軸（被検光の光軸）となる。また、熱膨張や熱収縮により測長値が変化しないための条件（第１条件）は、「測長基点から被検光の光路に向けて垂線を降ろし、被検光の光路と垂線との交点の位置に被検面を配置したときの被検光の光路長が参照光の光路長と等しい」こととなる。また、温度が変化しても第１条件を満たすためには、被検光及び参照光の光路長を構成する硝材光路長と大気光路長とが等しいことが必要となる。従って、「被検光の光路を構成する硝材光路長と参照光の光路を構成する硝材光路長とが等しい」ことも条件（第２条件）となる。但し、第２条件は、温度による硝材の屈折率の変化に起因する光路長の影響に依存する条件であるため、温度を計測してその差を補正すれば必ずしも必要ではない。
【００３３】
図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、レーザ干渉計における測長基点と測長軸との関係を示す図である。図３（ａ）は、マイケルソン干渉計における測長基点と測長軸とを示しており、第２条件を満たしている。図３（ａ）を参照するに、第１条件を満たす測長基点は、被検光の光路長と被検光の光路長とが等しくなるときの被検面の位置を通り、被検光の光路に垂直な平面Ａ内の任意の点となる。図３（ｂ）は、マイケルソン干渉計の変形例（本実施形態の計測装置１と同様な構成）における測長基点と測長軸とを示しており、測長基点は、平面Ａ内の任意の点となる。図３（ｂ）は、差分干渉計における測長基点と測長軸とを示しており、測長基点は、平面Ａ内の任意の点となる。
【００３４】
図３（ａ）乃至図３（ｃ）から明らかなように、いずれのレーザ干渉計においても、測長基点を測長ストロークの近接端から離すほど、測長基点と光分割素子とが離れる傾向にある。従って、従来技術のように、光分割素子と被検面とが独立した構成では、測長基点及び測長軸を保証することが困難となる。特に、工作機械装置における測長システムでは、測長ストロークの中点に測長基点を設定する場合が多いため、測長基点及び測長軸を保証することができない。
【００３５】
本実施形態の計測装置１では、参照面１０５、被検面１０７及びＰＢＳ１０４を中空ハウジング１１０に収納（ユニット化）し、その内部において参照面１０５及びＰＢＳ１０４を固定することで、測長基点及び測長軸を保証している。具体的には、被検光の光路に平行な軸を示す測長軸は、測長軸表示部１１２の基準底面１１２ａと基準底面１１２ｂとを結ぶ直線で保証される。なお、測長軸表示部１１２は、中空ハウジング１１０の外部に設けられる際に、基準底面１１２ａと基準底面１１２ｂとを結ぶ直線が被検光の光路に対して所望の平行度となるように調整される。また、ＰＢＳ１０４から参照面１０５までの参照光の光路長とＰＢＳ１０４から被検面１０７までの被検光の光路長とが等しくなるときの被検面１０７の位置を示す測長基点は、測長基点表示部１１３の指標１１３ａで保証される。なお、測長基点表示部１１３は、中空ハウジング１１０の外部に設けられる際に、指標１１３ａが第１条件を満たす位置を示すように調整される。
【００３６】
本実施形態では、参照面１０５と測長基点表示部１１３とは、中空ハウジング１１０を介して固定されている。但し、参照面１０５と測長基点表示部１１３とを連結する連結部材を介して、参照面１０５と測長基点表示部１１３とを中空ハウジング１１０に固定してもよい。この場合、中空ハウジング１１０と参照面１０５との位置関係を外部から変更可能とすることで、測長基点の切り替えを容易に行うことができる。
【００３７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、工作機械装置などへの計測装置１の取り付けについて説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、参照側基準体４３１を基準として、走り軸に沿って１軸方向のスライドが可能な被検側基準体４３２の位置を計測装置１が計測する場合を示している。図４（ａ）は、参照側基準体４３１及び被検側基準体４３２に取り付けられた計測装置１の状態を示す図であって、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す矢印α方向からの計測装置１の状態を示す図である。
【００３８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、中空ハウジング１１０を参照側基準体４３１に取り付け、キャリッジ１１１を被検側基準体４３２に取り付ける。この際、被検側基準体４３２の走り軸と、測長軸表示部１１２の基準底面１１２ａと基準底面１１２ｂとを結ぶ直線とが平行となり、測長基点表示部１１３の指標１１３ａと参照側基準体４３１の基準点とが一致するように、中空ハウジング１１０が取り付けられる。また、温度が変化した場合であっても、測長基点表示部１１３（指標１１３ａ）が参照側基準体４３１に対して変化しないことが必要であるため、中空ハウジング１１０は、測長基点表示部１１３において参照側基準体４３１に締結される。中空ハウジング１１０と参照側基準体４３１との他の締結部には、ヒンジ機構などを設けることで、中空ハウジング１１０を保持しながら熱変形をかわすようにする。
【００３９】
従来技術では、レーザ干渉計を取り付ける際に、レーザ干渉計を構成する光学素子がばらばらに組み込まれるため、被検側基準体の走り軸と測長軸とが一致するように、かかる光学素子を調整しなければならない。一方、本実施形態では、計測装置１を構成するＰＢＳ１０４、参照面１０５、ベンダー１０６、被検面１０７などが中空ハウジング１１０に収納（ユニット化）され、測長軸を表示する測長軸表示部１１２が中空ハウジング１１０の外部に設けられている。従って、計測装置１を取り付ける際には、測長軸表示部１１２を用いて中空ハウジング１１０の位置及び姿勢を調整すればよく、計測装置１を構成するＰＢＳ１０４、参照面１０５、ベンダー１０６、被検面１０７などを調整することが不要となる。その結果、計測装置１を容易（簡便）に取り付けることができ、計測装置１の取り付けに要する時間を短縮することが可能となる。また、計測装置１の主な利用用途として想定される工作機械装置の環境、即ち、大気中に油分が含まれやすい環境に計測装置１を構成する光学素子を曝す必要がなくなるため、かかる光学素子の汚染を防止することができる。また、測長基点をメカ的な構成と光学的な構成とで実現しているため、高精度な保証が可能である。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における計測装置１Ａの構成を示す概略図である。計測装置１Ａは、参照面と被検面との間の距離に加えて、被検面の姿勢を計測する光波干渉計測装置である。計測装置１Ａは、計測装置１と同様な構成を有するが、非偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）１３０と、ベンダー１３１と、コーナキューブ１３２ａ及び１３２ｂとを更に有する。また、計測装置１Ａは、位相検出部１０８の代わりに、第１の位相検出部１０８ａと、第２の位相検出部１０８ｂとを有する。
【００４１】
ＮＰＢＳ１３０は、コリメータユニット１０３からの光を２つの光に分割する。ＮＰＢＳ１３０で分割される２つの光のうち、ＮＰＢＳ１３０を透過する光（第１の計測光）は、ＰＢＳ１０４に入射し、ＮＰＢＳ１３０で反射される光（第２の計測光）は、ベンダー１３１を介して、ＰＢＳ１０４に入射する。このように、ＮＰＢＳ１３０は、光源１０１からの光を複数の光に分割し、かかる複数の光をＰＢＳ１０４に入射させる光学素子として機能する。
【００４２】
ＮＰＢＳ１３０からの第１の計測光は、ＰＢＳ１０４で２つの光に分割される。ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４で反射された光（第１の光）は、λ／４板１３３を透過することで円偏光に変換され、参照面１０５の位置１０５ａで反射される。参照面１０５（の位置１０５ａ）で反射された光（第１の参照光）は、λ／４板１３３を再び透過することで直線偏光に変換され、ＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４に入射した第１の参照光は、ＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ａで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第１の参照光は、λ／４板１３３、参照面１０５（の位置１０５ａ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第１の位相検出部１０８ａに入射する。また、ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４を透過した光（第２の光）は、λ／４板１３３を透過し、被検面１０７の位置１０７ａで反射される。被検面１０７（の位置１０７ａ）で反射された光（第１の被検光）は、λ／４板１３３及びＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ａで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第１の被検光は、λ／４板１３３、被検面１０７（の位置１０７ａ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第１の位相検出部１０８ａに入射する。
【００４３】
一方、ＮＰＢＳ１３０からの第２の計測光は、ＰＢＳ１０４で２つの光に分割される。ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４で反射された光（第１の光）は、λ／４板１３３を透過することで円偏光に変換され、参照面１０５の位置１０５ｂで反射される。参照面１０５（の位置１０５ｂ）で反射された光（第２の参照光）は、λ／４板１３３を再び透過することで直線偏光に変換され、ＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４に入射した第２の参照光は、ＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ｂで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第２の参照光は、λ／４板１３３、参照面１０５（の位置１０５ｂ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第２の位相検出部１０８ｂに入射する。また、ＰＢＳ１０４で分割された２つの光のうち、ＰＢＳ１０４を透過した光（第２の光）は、λ／４板１３３を透過して、被検面１０７の位置１０７ｂで反射される。被検面１０７（の位置１０７ｂ）で反射された光（第２の被検光）は、λ／４板１３３及びＰＢＳ１０４を透過してコーナキューブ１３２ｂで反射され、ＰＢＳ１０４を再び透過する。ＰＢＳ１０４を透過した第２の被検光は、λ／４板１３３、被検面１０７（の位置１０７ｂ）、λ／４板１３３を順に通過してＰＢＳ１０４で反射され、第２の位相検出部１０８ｂに入射する。
【００４４】
第１の位相検出部１０８ａは、第１の参照光と第１の被検光との干渉光を検出し、かかる干渉光に対応する干渉信号を生成する。同様に、第２の位相検出部１０８ｂは、第２の参照光と第２の被検光との干渉光を検出し、かかる干渉光に対応する干渉信号を生成する。
【００４５】
処理部１０９は、第１の位相検出部１０８ａの検出結果（即ち、第１の被検光と第１の参照光との干渉信号）から、参照面１０５の位置１０５ａと被検面１０７の位置１０７ａとの間の距離を算出する。また、処理部１０９は、第２の位相検出部１０８ｂの検出結果（即ち、第２の被検光と第２の参照光との干渉信号）から、参照面１０５の位置１０５ｂと被検面１０７の位置１０７ｂとの間の距離を算出する。このように、本実施形態では、光源１０１からの光を第１の計測光と第２の計測光とに分割して、被検面１０７の異なる複数の位置（位置１０７ａ及び１０７ｂ）を測長しているため、被検面１０７の姿勢を算出することが可能である。例えば、参照面１０５の位置１０５ａと被検面１０７の位置１０７ａとの間の距離（第１の計測光による測長結果）をＤｍ１、参照面１０５の位置１０５ｂと被検面１０７の位置１０７ｂとの間の距離（第２の計測光による測長結果）をＤｍ２とする。また、被検面１０７における位置１０７ａと位置１０７ｂとの間の距離をｄとする。この場合、処理部１０９は、以下の式（５）から被検面１０７の姿勢θを算出する。
【００４６】
【数５】
【００４７】
キャリッジ１１１は、第１の実施形態で説明したように、被検側基準体４３２に取り付けられるため、被検面１０７の姿勢（姿勢変化）は、被検側基準体４３２の姿勢（姿勢変化）と等価である。被検面１０７（被検側基準体４３２）の姿勢変化に起因する測長誤差は、一般的に、アッベ誤差と呼ばれるが、被検面１０７（被検側基準体４３２）の姿勢が式（５）から明らかになれば、その補正が可能となる。
【００４８】
このように、本実施形態の計測装置１Ａは、複数の測長軸を比較的容易に実現できる干渉計の長所を利用し、被検面１０７の姿勢を計測することでアッベ誤差の補正を可能にしている。なお、本実施形態では、第１の計測光と第２の計測光のそれぞれを被検面の複数の位置及び参照面の複数の位置に入射させているが、これに限定されるものではない。例えば、第１の計測光に対応する参照面及び被検面と第２の計測光に対応する参照面及び被検面とを別々に配置してもよい。具体的には、第１の計測光及び第２の計測光（複数の計測光）のそれぞれに対応する参照面部分をそれぞれ含み、かかる参照面部分で参照面を形成する複数の参照面部材を配置する。更に、第１の計測光及び第２の計測光（複数の計測光）のそれぞれに対応する被検面部分をそれぞれ含み、かかる被検面部分で被検面を形成する複数の被検面部材を配置する。このような構成であっても、被検面の姿勢を計測することが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分割し、前記第１の光を前記参照面に入射させ、前記第２の光を前記被検面に入射させる光分割素子と、
前記参照面、前記被検面及び前記光分割素子を内部に収納すると共に、前記内部において前記参照面及び前記光分割素子を固定するハウジングと、
前記ハウジングの外部に設けられ、前記光分割素子から前記参照面までの前記第１の光の光路長と前記光分割素子から前記被検面までの前記第２の光の光路長とが等しくなるときの前記被検面の位置を示す測長基点を表示する第１の表示部と、
前記ハウジングの外部に設けられ、前記第２の光の光路に平行な軸を示す測長軸を表示する第２の表示部と、
前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光を前記光分割素子に入射させる光学素子を更に有し、
前記光分割素子は、前記複数の光のそれぞれを前記第１の光と前記第２の光とに分割し、複数の前記第１の光のそれぞれを前記参照面の複数の位置に入射させ、複数の前記第２の光のそれぞれを前記被検面の複数の位置に入射させ、
前記処理部は、前記参照面で反射された複数の前記第１の光のそれぞれと前記被検面で反射された複数の前記第２の光のそれぞれとの複数の干渉信号から得られる前記参照面の複数の位置のそれぞれと前記被検面の複数の位置のそれぞれとの間の光路長に対応する位相に基づいて、前記被検面の姿勢を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光を前記光分割素子に入射させる光学素子と、
前記複数の光のそれぞれに対応する複数の参照面部分をそれぞれ含み、前記複数の参照面部分で前記参照面を形成する複数の参照面部材と、
前記複数の光のそれぞれに対応する複数の被検面部分をそれぞれ含み、前記複数の被検面部分で前記被検面を形成する複数の被検面部材と、
を更に有し、
前記光分割素子は、前記複数の光のそれぞれを前記第１の光と前記第２の光とに分割し、複数の前記第１の光のそれぞれを対応する前記複数の参照面部材に入射させ、複数の前記第２の光のそれぞれを対応する前記複数の被検面部材に入射させ、
前記処理部は、前記複数の参照面部材で反射された複数の前記第１の光のそれぞれと前記複数の被検面部材で反射された複数の前記第２の光のそれぞれとの複数の干渉信号から得られる前記複数の参照面部材のそれぞれと前記複数の被検面部材のそれぞれとの間の光路長に対応する位相に基づいて、前記被検面の姿勢を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記参照面と前記第１の表示部とを連結する連結部材を更に有し、
前記参照面及び前記第１の表示部は、前記連結部材を介して、前記内部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光源は、互いに異なる複数の波長の光を射出し、
前記処理部は、前記複数の波長の光のそれぞれにおける前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との複数の干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の絶対距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
前記ハウジングの内部の温度及び気圧を検出する検出部を更に有し、
前記処理部は、前記検出部で検出された温度及び気圧から前記ハウジングの内部の屈折率を求め、前記干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相を前記屈折率で除算することで前記参照面と前記被検面との間の幾何学的な距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項７】
前記光源は、互いに異なる複数の波長の光を射出し、
前記処理部は、前記複数の波長の光のそれぞれにおける前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との複数の干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相と、前記内部の媒質の既知の分散特性とに基づいて、前記参照面と前記被検面との間の幾何学的な距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項１】
参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分割し、前記第１の光を前記参照面に入射させ、前記第２の光を前記被検面に入射させる光分割素子と、
前記参照面、前記被検面及び前記光分割素子を内部に収納すると共に、前記内部において前記参照面及び前記光分割素子を固定するハウジングと、
前記ハウジングの外部に設けられ、前記光分割素子から前記参照面までの前記第１の光の光路長と前記光分割素子から前記被検面までの前記第２の光の光路長とが等しくなるときの前記被検面の位置を示す測長基点を表示する第１の表示部と、
前記ハウジングの外部に設けられ、前記第２の光の光路に平行な軸を示す測長軸を表示する第２の表示部と、
前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光を前記光分割素子に入射させる光学素子を更に有し、
前記光分割素子は、前記複数の光のそれぞれを前記第１の光と前記第２の光とに分割し、複数の前記第１の光のそれぞれを前記参照面の複数の位置に入射させ、複数の前記第２の光のそれぞれを前記被検面の複数の位置に入射させ、
前記処理部は、前記参照面で反射された複数の前記第１の光のそれぞれと前記被検面で反射された複数の前記第２の光のそれぞれとの複数の干渉信号から得られる前記参照面の複数の位置のそれぞれと前記被検面の複数の位置のそれぞれとの間の光路長に対応する位相に基づいて、前記被検面の姿勢を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記光源からの光を複数の光に分割し、前記複数の光を前記光分割素子に入射させる光学素子と、
前記複数の光のそれぞれに対応する複数の参照面部分をそれぞれ含み、前記複数の参照面部分で前記参照面を形成する複数の参照面部材と、
前記複数の光のそれぞれに対応する複数の被検面部分をそれぞれ含み、前記複数の被検面部分で前記被検面を形成する複数の被検面部材と、
を更に有し、
前記光分割素子は、前記複数の光のそれぞれを前記第１の光と前記第２の光とに分割し、複数の前記第１の光のそれぞれを対応する前記複数の参照面部材に入射させ、複数の前記第２の光のそれぞれを対応する前記複数の被検面部材に入射させ、
前記処理部は、前記複数の参照面部材で反射された複数の前記第１の光のそれぞれと前記複数の被検面部材で反射された複数の前記第２の光のそれぞれとの複数の干渉信号から得られる前記複数の参照面部材のそれぞれと前記複数の被検面部材のそれぞれとの間の光路長に対応する位相に基づいて、前記被検面の姿勢を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記参照面と前記第１の表示部とを連結する連結部材を更に有し、
前記参照面及び前記第１の表示部は、前記連結部材を介して、前記内部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光源は、互いに異なる複数の波長の光を射出し、
前記処理部は、前記複数の波長の光のそれぞれにおける前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との複数の干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の絶対距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
前記ハウジングの内部の温度及び気圧を検出する検出部を更に有し、
前記処理部は、前記検出部で検出された温度及び気圧から前記ハウジングの内部の屈折率を求め、前記干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相を前記屈折率で除算することで前記参照面と前記被検面との間の幾何学的な距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項７】
前記光源は、互いに異なる複数の波長の光を射出し、
前記処理部は、前記複数の波長の光のそれぞれにおける前記参照面で反射された前記第１の光と前記被検面で反射された前記第２の光との複数の干渉信号から得られる前記参照面と前記被検面との間の光路長に対応する位相と、前記内部の媒質の既知の分散特性とに基づいて、前記参照面と前記被検面との間の幾何学的な距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２４７４８（Ｐ２０１３−２４７４８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０３０２（Ｐ２０１１−１６０３０２）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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