| 【発明の名称】 |
位置計測装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】岩田 耕一
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| 【要約】 |
【課題】平行移動及び回転を含む被測定物の移動位置をコンパクトな仕組みで測定し得る位置測定装置を提供する。
【解決手段】光源部１からの照射光路中に置かれたビームスプリッタ２による一方の分岐光路上に配置された被測定物Ｔに設置された複数の逆反射体３と、他方の分岐光路上に配置された参照光用反射体４と、両反射体による反射光をビームスプリッタ２を経て受光する干渉計測部５とを備え、光源部１の照射光束幅及び複数の逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、複数の逆反射体中の少なくともいずれか２個の逆反射体がビームスプリッタを経た照射光を該ビームスプリッタに向けて反射するように決められていることを特徴とする位置計測装置。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された複数の逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とが干渉するように受光する干渉計測部とを備えており、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体中の少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められていることを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】 被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された複数の逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とを受光して干渉させる干渉計測部とを備えており、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体の全てが前記光源部からの光線の光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められていることを特徴とする位置計測装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照射光の干渉を利用して被測定物の位置を測定するための位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械や測定装置のテーブル等の被測定物の移動を干渉計の利用の下に精密に測定する装置が知られている。最も簡単な構造のものは、図７に示すように、光源部Ａ１からのコヒーレントな平行光をビームスプリッタＡ２により分岐させ、一方の光を被測定物Ｔ上の鏡Ａ３により入射方向と逆方向に反射させ、他方の光を他の鏡Ａ４により入射方向と逆方向に反射させて参照光とし、両反射光の干渉を干渉計Ａ５で計測するものであり、被測定物Ｔが移動したときの干渉縞の変化から、その移動後の位置を測定する。このような光学系を被測定物Ｔの周囲に水平方向に２個以上配置すれば、水平面内での移動位置が測定でき、３次元的に３個以上配置すれば、３次元の移動位置測定を行なうことができる。
【０００３】しかしながら、この構造のものでは、被測定物の平行移動は測定できるが、被測定物が回転すると照射光の反射方向が変わり、干渉計に到達しないため、測定が不可能となる。
【０００４】これに対処するものとして、図８に示すようなコーナーキューブを使用する装置がある（この装置も図７と同様に複数の光学系を配置するものであるが、図には１つの光学系のみを示す）。この装置は、前述の鏡に代えてコーナーキューブＡ６、Ａ７を使用している。これにより、被測定物Ｔの移動に回転が加わっても反射光を必ず入射方向に沿って反射させることができるので、平行移動及び回転を伴った移動位置の測定が可能となる。
【０００５】但し、従来知られているものは、１個の光源部に対して１個のコーナーキューブを使用していた。したがって、被測定物が平行移動により、図８に破線で示すように、コーナーキューブＡ６が照射光から外れる位置に至ると測定が不可能となる。これに対しては、コーナーキューブの寸法を大きくすることにより、測定可能範囲は拡大するが、大寸法のコーナーキューブを精密に製造するのには限界があるので、大きな測定範囲を実現することは困難であった。
【０００６】また、被測定物の移動に合わせて光源部がコーナーキューブに追随させる仕組みのものも提案されている（特開平７−３３２９２３号公報）。しかしながら、このものは、追随のための構造が極めて複雑で大型になるという欠点があった。
【０００７】この他、３次元移動を計測する装置として、被測定物の光線方向の変位を干渉によって計測し、光線に垂直方向の変位を画像センサで計測するものが提案されている（特開平４−２９９０９０２号公報）。しかしながら、この装置は、画像センサを用いた計測については、位置測定精度がせいぜい数μm程度に限定され、精密な測定には不向きであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、これら従来技術の問題点を解決し、平行移動及び回転を含む被測定物の移動位置をコンパクトな仕組みで測定し得る位置測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の前記目的は、被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とが干渉するように受光する干渉計測部とを備えており、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体中の少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められていることを特徴とする位置計測装置により達成される。
【００１０】本発明の前記目的はまた、被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とを受光して干渉させる干渉計測部とを備えており、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体の全てが前記光源部からの光線の光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められていることを特徴とする位置計測装置により達成される。
【００１１】
【実施の形態】以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の１実施形態に係る位置計測装置を概略的に示している。
【００１２】図示の装置は、異なる方向から同じ機構により位置計測を行なう複数の計測用光学系を備えている。図にはその１つの計測用光学系１００の構成を示している。この光学系１００は、コヒーレントな平行光の照射を行なう光源部１と、該光源部からの照射光路中に置かれたハーフミラー（ビームスプリッタ）２と、該ハーフミラーによる反射光路上に配置された被測定物に対し、既知の位置において固定された複数のコーナーキューブ（逆反射体）３と、ハーフミラー２の透過光路上に配置され該光路上の入射光に沿って光を反射する参照光用コーナーキューブ４と、コーナーキューブ３及び４により反射された光をハーフミラー２を経て受光する干渉計測部５とを備えている。
【００１３】光源部１の照射光束幅及び複数のコーナーキューブの配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、複数のコーナーキューブ中の少なくともいずれか２個がハーフミラー２を経た照射光を該ハーフミラーに向けて反射するように決められており、この例では、照射光束は、直径が１５の円形断面であり、その光束の中に２〜３個（受光角度により変化する）のコーナーキューブが位置するような配置となっている。このため、コーナーキューブは、例えば、入出力面の１辺が約３〜５ｍｍ程度の大きさとされる。尤も、この寸法は、被測定物の大きさ、光束の幅等により適宜決められる。
【００１４】光源部１は、発光体としてヘリウムネオンレーザ１０を用い、その前方に集光レンズ１１を配置して平行光を照射する構造となっている。ハーフミラー２は、光源部１からの入射光に対して４５度傾斜して配置され、部分的に反射された光の光路上に被測定物及びコーナーキューブ３が配置されている。参照光用のコーナーキューブ４は、ハーフミラー２の透過光路上に配置されている。
【００１５】図２は、入射光Liに対し、反射光Loが常に平行となるように反射するコーナーキューブCを示している。図１の例において、コーナーキューブ３での反射光は、入射光方向に沿って進行し一部がハーフミラー２を透過して干渉計測部５に至る。また、コーナーキューブ４での反射光は、入射光方向に沿って進行し一部がハーフミラー２により反射されて干渉計測部５に至る。こうして干渉計測部５に至った２つの光は、相互に干渉して干渉縞を形成する。このように、ハーフミラー２及び参照光用コーナーキューブ４は、光源部１からの光線を干渉計測部５に導く参照光生成部を形成している。干渉計測部５は、集光レンズ５０により結像された像を感知するＣＣＤ撮像装置等のイメージセンサ５１と、イメージセンサ５１の出力に基づき干渉縞画像処理をする画像処理装置５２とを備えている。
【００１６】このような計測用光学系１００は、他の方向から被測定物に光照射をするように複数設けられる。この例では、同じ水平面内にもう１つの計測用光学系１０１が配置されており（図中に矩形枠により概略的に示す）、垂直方向から被測定物に光照射を行なうための同様の計測用光学系が配置されている（図示せず）。
【００１７】この位置計測装置は、次のように機能する。被測定物及び計測装置を前述のように配置する。以下の説明は光学系１００について行なうが、配置された他の光学系においても同様の機能が奏される。前述の通り、光源部１から発せられた光は、ハーフミラー２で分岐され、コーナーキューブ３及び４で逆反射された光が再びハーフミラー２を経て干渉計測部５に達し、干渉像を形成する。
【００１８】この状態から、被測定物Ｔが移動すると、参照光用コーナーキューブ４を経る光の光路長に対し、コーナーキューブ３を経る光の光路長が変化し、干渉像もこれに伴って変化する。具体的には、干渉縞が縞幅方向に移動する。したがって、画像上の所定点を移動していく干渉縞の数を数えることにより、コーナーキューブ３への入射光軸方向の移動距離を知ることができ、例えば１０分の１μm程度の精度で計測することができる。そして、前記所定点が干渉縞の間に位置するときは、縞間での位置を求めることにより、さらに測定精度を高めることができる。
【００１９】被測定物の回転角を計測するには、２個以上のコーナーキューブ３からの反射光の干渉像について測定を行ない、その差に基づいて回転角を算出する。この場合、コーナーキューブ相互の離反距離が大きいほど、回転角の測定精度が良い。なお、被測定物の回転に伴って、入射光に対するコーナーキューブの角度も変化するが、コーナーキューブにより反射される光の光路長は、常にコーナーキューブの頂点を通る光の光路長に等しく、頂点を中心とするコーナーキューブの回転によって変化することがないので、精度良く回転量を測定することができる。
【００２０】被測定物の平行移動量又は回転量が大きくなると、当初のコーナーキューブ３が照射光束から外れることがある。しかしながら、本実施形態に係る計測装置においては、被測定物の測定すべき移動範囲において、コーナーキューブ３中の少なくともいずれか２個がハーフミラー２を経た照射光を該ビームスプリッタに向けて反射するように決められている。すなわち、１個のコーナーキューブ３が光束から外れても、他のコーナーキューブ３が光束内に進入し、常に２以上のコーナーキューブが光束内で反射可能な状態が保たれる。しかも、各コーナーキューブ３は被測定物Ｔ上の既知の位置に固定されているので、光束から外れたものを含む２個以上のコーナーキューブについての計測を、新たに光束内に進入したものをも含めた２以上のコーナーキューブについての計測に引き継いで、計測を継続することができる。
【００２１】したがって、被測定物Ｔの最大移動範囲に至ったときにも、照射光束内で反射可能な位置をとるようにコーナーキューブ３を配置しておくことにより、被測定物Ｔの移動の全範囲について計測を行なうことができる。コーナーキューブCを連続的にアレイ状に並べた例を図３に示す。コーナーキューブは、このように連続的に配置してもよいし、照射光束中の反射可能な位置に２個以上のコーナーキューブが常に存在するのであれば、間隔をおいて配置することもできる。図４は、そのような間隔をおいた配置の極端な例を示している。コーナーキューブ３の位置が既知であり、且つ照射光束中の反射可能な位置に２個以上のコーナーキューブ（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）が常に存在するのであれば、図４のように特段の規則性をもって配置されていなくてもよい。
【００２２】このようにして、１個の計測用光学系により１つの軸方向についての平行移動量及びその軸に垂直な軸回りの回転量の計測が可能となる。したがって、軸線を異にする２個の光学系を被測定物に対して配置することにより、２軸方向の平行移動量及びこれらの軸に垂直な軸回りの回転量を計測することができ、例えば、水平面内での移動を行なう被測定物の計測を行なうことができる。そして、軸線を異にする３個の光学系を被測定物に対して配置すれば、３軸方向の平行移動量及びこれらの軸に垂直な軸回りの回転量を計測することができ、３次元の全ての移動量の計測が可能となる。なお、軸線を異にする場合として、直交軸を選択することも可能であるが、必ずしも軸が直交している必要はなく、各軸線の光学系で移動量が計測できればよい。
【００２３】図５は、本発明の他の実施形態に係る位置計測装置を示している。この例では、径の大きい光束Ｌ１、Ｌ２を使用すると共に、被測定物Ｔ上の複数のコーナーキューブ３’の全てが照射光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個のコーナーキューブ３’がハーフミラーを経た照射光を該ハーフミラーに向く反射光ＬＬ１、ＬＬ２として反射するように配置されている。水平面内の移動のみを計測する場合は、図５のように平面視円形に配置したコーナーキューブ３’を使用すればよい。３次元での移動を計測する場合は、コーナーキューブ３’も３次元的に配置され、例えば、入出力面が球面又は半球面に沿うように配置された複数のコーナーキューブを使用することができる。
【００２４】図５のような光束及びコーナーキューブの配置によれば、コーナーキューブが光束内に位置する限り被測定物Ｔがどのように移動しても、コーナーキューブによる逆反射光を生じさせて干渉像を得ることができるので、被測定物の移動量を知ることができる。
【００２５】以下、本発明に係る装置の計測原理について、図６を参照しつつ詳述する。
(i) 原理被測定物に対して複数の方向から照射する測定用光線について、ｍ番目の光線の方向（位置計測の方向）の単位ベクトルをＳmとする。この方向での測定により、被測定物に複数設置されたコーナーキューブの内、ｎ番目のコーナーキューブでの頂点での移動距離Ｌmnが計測される。
【００２６】被測定物上に固定した原点Ｏを置き、被測定物上に固定されたコーナーキューブｍｎ（ｍ番目の光線照射方向でのｎ番目のコーナーキューブを意味する）の頂点の位置までの位置ベクトルをｒmnとする。被測定物上に固定した原点０を置き、被測定物上に固定されたコーナーキューブｍｎの頂点の位置までの位置ベクトルをｒmnとする。一方、空間に固定した原点０を置いて、被測定物の平行移動ベクトルをＲ、回転ベクトルをθとする。
【００２７】初期位置Ｒ＝０、θ＝０での各頂点の位置は、空間固定座標でｒmnとなっている。干渉により測られる移動量をＬmnとすると、Ｌmn＝Ｓm・（Ｒ＋θ×ｒmn）
が成り立つ。この場合のＬmnは、コーナーキューブｍｎの移動Ｒとθによる干渉計から得られた移動距離である。これを書き換えると、Ｌmn＝Ｓm・Ｒ＋（ｒmn×Ｓm）・θ -----(1)となる。このＬmnは初期位置からの移動量を表す。これが干渉計で測定される量である。
【００２８】ｒmnとＳmが分かっており、干渉計からＬmnが測定できると、(1)式から、Ｒの３成分とθの３成分を未知数とする１次式が得られる。この１次式の数が６より多ければ、それらの未知数を解く可能性がある。式の数の方が多いときは、最小二乗法を用いればよい。
【００２９】ただし、精度よく解くためには、方程式の係数のマトリックスのランクが６以上になる必要がある。一般的に言えば、干渉計の光線の方向とコーナーキューブの位置をできるだけ広い範囲に取ればこの条件は満たされると考えられる。
【００３０】なお、コーナーキューブの姿勢がそろっていなくても、頂角が直角であればもとの方向に光が帰ってくるので、問題とならない。
(ii) 干渉計による測定干渉計では、Ｌmn＝（ｐmn＋εmn）λ／２ ------(2)によって移動量がわかる。ここで、ｐ＋ε（式(2)のｐmn＋εmn）は、初期値から現在位置に至るまでの干渉縞の縞次数の変化であり、ｐが整数部、εが端数部を表す。
ａ．端数部移動の間、常に干渉縞を観測していると、その間の明暗の数を数えることで、ｐの値はわかる。これだけで波長の半分（０．３μｍ程度）の精度でＬmnはわかる。しかし０．１ｍｍ以下の精度を要求すると、εを知る必要がある。
【００３１】εを知る方法として、位相シフト法とフーリエ変換法とがある。位相シフト法は、参照光用鏡（コーナーキューブ）を３回以上既知量だけ動かして、それぞれの強度から求める。この場合は、１つのコーナーキューブからの反射光は１カ所だけ測定すればよい。
【００３２】フーリエ変換法（空間干渉縞法）では、参照光用鏡を傾けて、１つのコーナーキューブの１つの面からの反射の中に１ピッチ以上の干渉縞を入れておき、その位置ずれから求める。この場合は、１つのコーナーキューブからの反射光を多点で測定する。
【００３３】後者の方が時間がかからないと思われるが、画像上でのコーナーキューブ上の基準点と干渉縞の相対位置の距離を正確に求める必要がある。
【００３４】たとえば、コーナーキューブの中に数個の縞を入れ、その中の直線上での強度変化を入力する。これから、測定したい位置での位相の端数を求めることができる。
ｂ．整数部干渉縞の強度変化を画像センサで測定するとすると、現在の画像センサでは１回の測定に１／３０秒の時間がかかる。常に干渉縞の変化を追跡するとすると、移動距離が大きいとき測定に時間がかかることになる。望ましいのは、移動後の干渉縞の強度を測定するだけで、位置と角度が分かることである。
【００３５】通常の被測定物はあらかじめ与られた量だけ動くように制御されている。そのため、Ｒとθは近似値が分かっている。目標値と移動量の差が干渉縞の１縞以下であれば、制御系からｐが分かるので、本発明装置によってεを求めることにより、より正確な値を迅速に計測することができる。以上の例では、逆反射体としてコーナーキューブを用いて説明したが、この他キャッツアイ等の種々の逆反射体を使用することができる。
【００３６】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、被測定物に対して異なる方向からコヒーレントな平行光の照射を行なう少なくとも２個の光源部と、各光源部からの光線の光路中に置かれた被測定物に対し固定した位置に設定された複数の逆反射体と、該逆反射体により反射された光線と干渉する参照光を生成する参照光生成部と、前記逆反射体により反射された光線と前記参照光とが干渉するように受光する干渉計測部とを備えた位置計測装置において、各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体中の少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決められている。
【００３７】したがって、被測定物の移動の全範囲について、常に少なくとも２個の逆反射体からの反射光を干渉計側部に導くことができる。この１つの光学系により１軸方向の平行移動及びその軸に垂直軸回りの回転の計測を行なうことができる。これに基づき、異なる光軸により被測定物を照射する同様の光学系を配置することにより、２次元及び３次元の移動の計測を行なうことができる。さらに、前記各光源部からの光線の幅及び前記逆反射体の配置は、被測定物の測定すべき移動範囲において、前記複数の逆反射体の全てが前記光源部からの光線の光束幅内に入り且つ常に少なくともいずれか２個の逆反射体での反射光が前記参照光と干渉するように決めることができる。これにより、コーナーキューブが光束内に位置する限り被測定物がどのように移動しても、コーナーキューブによる逆反射光を生じさせて干渉像を得ることができ、被測定物の移動量を知ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９６０２０８００
【氏名又は名称】科学技術振興事業団
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月１５日（１９９９．１１．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６５２１５
【弁理士】
【氏名又は名称】三枝 英二
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１４１４１３（Ｐ２００１−１４１４１３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月２５日（２００１．５．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３２３５４３ |
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