專利名稱：長度測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用激光束的光學長度測量裝置。
背景技術：
作為長度測量裝置，已知的裝置例如包括可沿被測物的測
量方向移動的移動載物臺、設置在此移動載物臺上并檢測被測物邊緣 的邊緣檢測光學系統(tǒng)、發(fā)射激光束的激光束源、基于來自激光束源的 激光束檢測移動載物臺的移動量的激光干涉儀等等，上述激光束源被 設置在移動載物臺上的可動反射鏡反射(見專利文獻1)。
專利文獻l:日本專利No. 341823
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在包括上述長度測量裝置的光學長度測量裝置中，通常將塞 曼(Zeeman)波長穩(wěn)定激光器用作激光束源，且其波長穩(wěn)定性為大約1 x
icr8。因此，在使用該塞曼波長穩(wěn)定激光器的長度測量裝置中，測 量長度的不準確度不會高于lxl(T8。例如，在測量1 m的標準尺時，精 極限度為大約lm xlxlO'8 =10 nm。作為塞曼波長穩(wěn)定激光器的替代，考慮使用具有例如 2xl(T12的波長穩(wěn)定性的碘穩(wěn)頻激光器(iodine stabilized laser),該波長穩(wěn) 定性優(yōu)于塞曼波長穩(wěn)定激光器的波長穩(wěn)定性，但據(jù)說此碘穩(wěn)頻激光器 的光功率小，不適用于移動被測物，而且光干涉性不好，從而導致很難在測量中使用碘穩(wěn)頻激光器。本發(fā)明的提議是提供一種能實現(xiàn)高度精確測量的光學長度 測量裝置。
解決問題的手段第一發(fā)明的長度測量裝置包括長度測量部分，該長度測量 部分測量到被測物的距離并具有測量激光束源；校準激光束源，該校
準激光束源發(fā)射激光束，該激光束的波長穩(wěn)定性高于所述測量激光束
源的激光束的波長穩(wěn)定性；干涉光學系統(tǒng)，該干涉光學系統(tǒng)使得所述 測量激光束源的激光束與所述校準激光束源的激光束干涉；以及運算 處理部分，該運算處理部分基于所述干涉光學系統(tǒng)的輸出和所述長度 測量部分的輸出來進行所述距離的計算。在第二發(fā)明的長度測量裝置中，該校準激光束源為碘穩(wěn)頻激 光束源。在第三發(fā)明的長度測量裝置中，該干涉光學系統(tǒng)的輸出為所 述測量激光束源的激光束與所述校準激光束源的激光束之間的頻率 差，并且，運算處理部分根據(jù)該頻率差來計算所述測量激光束源的激 光束的波長，并基于該波長的計算結果、根據(jù)長度測量部分的輸出來 計算距離。第四發(fā)明的長度測量裝置包括顯示部分，該顯示部分基于通 過運算處理部分中的計算而獲得的距離來顯示信息。在第五發(fā)明的長度測量裝置中，在長度測量部分測量距離 時，干涉光學系統(tǒng)使得所述測量激光束源的激光束與所述校準激光束 源的激光束干涉，并且，在長度測量部分測量距離時，運算處理部分 基于干涉光學系統(tǒng)的輸出和長度測量部分的輸出來計算距離。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，高度精確的測量變成可能。
圖1是示出了本發(fā)明的長度測量裝置的一個實施例的示意圖。
圖2是示出了波長校正的一個示例的說明圖。 圖3是示出了波長校正的另 一示例的說明圖。
具體實施例方式下面將參照圖1來說明本發(fā)明的長度測量裝置。圖1是本發(fā)明的長度測量裝置的一個實施例的示意圖。如圖 1所示，長度測量裝置IO包括作為測量激光束源的塞曼激光束源11; 作為長度測量部分的長度測量裝置本體12，該長度測量部分利用該塞 曼激光束源11的激光束照射被測物(移動工作臺21)，以測量與該被測 物的距離；碘穩(wěn)頻激光束源14，該碘穩(wěn)頻激光束源14作為發(fā)射激光束 的校準激光束源，該激光束的波長穩(wěn)定性高于塞曼激光束源11的激光 束的波長穩(wěn)定性；干涉光學系統(tǒng)(半透鏡32、檢波器34)，該干涉光學 系統(tǒng)(半透鏡32、檢波器34)使得塞曼激光束源11的激光束與碘穩(wěn)頻激 光束源14的激光束干涉；以及運算處理部分16，該運算處理部分16 基于干涉光學系統(tǒng)的輸出(檢波器34的輸出)與測量裝置本體12的輸出 (計數(shù)器26)來計算所述距離。在長度測量裝置本體12中，布置了底座20和移動工作臺 21,該移動工作臺21作為裝配在底座20上的被測物，以便通過未示 出的移動機構沿該圖中的箭頭方向(圖1中的左右方向)移動。在測量過程中，在移動工作臺21上，將用于測量的標準尺22沿移動工作臺21的移動方向固定。沿該圖中的左右方向移送移動工 作臺21，刻印在用于測量的標準尺22上的刻度通過用于刻度線的顯微 鏡23檢測出。在移動工作臺21的一端，為測量移動工作臺21的移送距離， 配備有反射來自塞曼激光束源11的激光束的反射鏡24。請注意，在長度測量裝置本體12中，配備有上述標準尺22 和用于刻度線的顯微鏡23。在塞曼激光束源11與移動工作臺21之間的光路中布置有半 透鏡25，且來自塞曼激光束源11的激光束的強度被此半透鏡25 —分為二。傳輸經(jīng)過半透鏡25而被分割的激光束被照射到反射鏡24。 在該反射鏡24上反射的反射光束返回到半透鏡25，而在該半透鏡25 上反射的光束與從參照鏡27反射的光束干涉。此時，由于該干涉而形 成的光束入射到光檢測器29上，并被轉換成電信號，且移動工作臺21 的坐標由計數(shù)器26測得。除反射光束的頻率信號以外，來自塞曼激光束源11的直射 光束的頻率信號也被輸入計數(shù)器26，上述直射光束的頻率信號由未示 出的光檢測器轉換成電信號。在計數(shù)器26中，從直射光束的該頻率信 號和反射光束的頻率信號來獲得直射光束與反射光束之間的相位差， 且該相位差信息(移動工作臺21的移送距離信息)被輸出到運算處理部 分16。在半透鏡28上反射并被分割的來自塞曼激光束源11的激光 束通過波長板31朝著包括碘穩(wěn)頻激光束源14和干涉光學系統(tǒng)(半透鏡 32、檢波器34)的校準光學系統(tǒng)30行進。波長板31將調整光束的偏振平面。在半透鏡28上反射的來自塞曼激光束源11的激光束的偏振平 面在波長板31上被調整，然后，該激光束到達包括在干涉光學系統(tǒng)中
的半透鏡32，該干涉光學系統(tǒng)布置在校準光學系統(tǒng)30內(nèi)。來自碘穩(wěn)頻激光束源14的光束經(jīng)過光束擴展器33，且在此 光束擴展器33中，該光束被調整為與來自塞曼激光束源11的光束具 有大致相同的光束直徑。然后，來自碘穩(wěn)頻激光束源14的光束同樣到 達半透鏡32。來自碘穩(wěn)頻激光束源14的光束經(jīng)過半透鏡32。另一方面， 來自塞曼激光束源11的激光束在半透鏡32上反射，來自塞曼激光束 源11的激光束以及來自碘穩(wěn)頻激光束源14的激光束通過該半透鏡32 相互干涉，從而一起朝著聚光透鏡33側行進。干涉的兩光束均通過聚 光透鏡33會聚到檢波器(例如雪崩光電二極管)34的檢測表面上。在檢波器34中，入射光束被轉換成電信號而輸出。當把來 自塞曼激光束源11的激光束的頻率設定為Va，并將來自碘穩(wěn)頻激光束 源14的激光束的頻率設定為Vi時，從檢波器34輸出的電信號(干涉光 學系統(tǒng)的輸出)的頻率變成Vi-Va，亦即兩激光束的頻率之差。Vi-Va 用Vb表示，并將其稱作拍頻信號。通過寬帶放大器35來放大該拍頻 信號Vb，以被輸入到頻率計數(shù)器36，然后在該計數(shù)器36內(nèi)對信號頻 率進行計算，然后，由運算處理部分16獲得塞曼激光束源11的波長 入a。如下所示 Vb叫Va - Vi I
這里，當假設碘激光束的頻率Vi總是高于塞曼激光束的頻率Va 時，可用Va = Vi - Vb (Hz)來表示。真空中的光束速率為C = 299792458 (m/s)，因此，塞曼激光束的波長入a變成如下所示
入a = C/Va = 299792458/(Vi - Vb)由拍頻信號的頻率Vb和碘激光束的頻率Vi表示的塞曼激 光束的波長人a的信息被輸出到運算處理部分16。在運算處理部分16中，通過利用由拍頻信號的頻率Vb和 碘激光束的頻率Vi表示的塞曼激光束的波長入a的信息，為作為長度 測量裝置本體12的輸出的移動工作臺21的移送距離信息執(zhí)行運算處 理，然后，從移動工作臺21的該移送距離信息來獲得標準尺22的刻 度線之間的間隔。能根據(jù)需要在顯示部分17上顯示運算處理部分16的運算處 理結果。在顯示部分17上，例如，并排顯示刻度線之間的間隔的標稱 值和測量值。此外，在顯示部分17上顯示該標稱值和測量值的同時， 還能夠通過未示出的打印機打印該標稱值和測量值。當只使用來自塞曼激光束源11的激光束而不使用來自碘穩(wěn) 頻激光束源14的激光束進行測量時，來自塞曼激光束源11的激光束 的波長穩(wěn)定性為大約lx10—8，因此，測量標準尺的刻度位置的不準確度 結果為大約lxl(T8。然而，如本實施例中所描述的，當來自碘穩(wěn)頻激光 束源14的激光束用于利用拍頻信號的頻率Vb和碘激光束的頻率Vi來 獲得塞曼激光束的波長Xa時，由于碘激光束的波長穩(wěn)定性為大約 2xl0'12，所以測量標準尺22的刻度位置的不準確度將大大提高到大約 2xl(T12。此外，如果將碘激光束直接照射到移動工作臺21的反射鏡 24并對其進行反射，則通過使用碘激光束的頻率Vi等等并通過執(zhí)行運 算處理來獲得利用塞曼激光束而獲得的移動工作臺21的移送距離信 息，而非測量移動工作臺21的移送距離。由此，不存在因使用碘激光束(功率小、不適用于移動被測物，且干涉性不好)而導致的問題，從而 使得高度精確的測量變成可能。在本實施例中，描述了碘激光束用作如下激光束的情況，即，
該激光束的穩(wěn)定性高于作為測量激光束的塞曼激光束的穩(wěn)定性，但本 實施例并不限于以上描述。此外，在本實施例中，描述了這樣一種情況，S卩，在測量標 準尺22的刻度位置的同時計算拍頻信號Vb的信號頻率，并通過利用 拍頻信號Vb和碘激光束的頻率Vi進行的計算來獲得塞曼激光束源11 的波長人a，但可以例如在測量標準尺22的刻度位置之后利用拍頻信號 Vb和碘激光束的頻率Vi來計算塞曼激光束源11的波長人a。另外，也 可以在利用拍頻信號Vb和碘激光束的頻率Vi計算出塞曼激光束源11 的波長人a之后，測量標準尺22的刻度位置。圖2是用于說明在如下情況下的波長校正細節(jié)的圖，其中， 在測量標準尺22的刻度位置的同時對拍頻信號Vb的信號頻率進行計 數(shù)，且通過利用拍頻信號Vb和碘激光束的頻率Vi的計算來獲得塞曼 激光束源11的波長Xa。在此方法中，每當測量圖2所示的標準尺22的刻度(Sl， S2…，Sn)時，對塞曼激光束源11的波長入a進行校正。也就是說，當測量刻度Sl時，將塞曼激光束源11的波長設 定為人al,類似地，當測量刻度S2，， Sn時，將波長設定為入a2，…， 入an。此外，將波長校正之前的刻度S1， S2…，Sn的位置測量結果設定 為P1， P2,， Pn。這里，波長校正之前指的是這樣一種測量值，其 中，使用塞曼激光束源11的波長的標稱值入aO。例如，當不進行波長 校正時，刻度S1與刻度S2之間的間隔為P2-P1。
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另一方面，當考慮波長校正時，刻度S1的位置為P1，而此 刻塞曼波束源11的波長為Xal。由此，在進行波長校正之后獲得的位 置P'1由以下表達式表示。P，hPlx入al/入aO
同樣，對于刻度S2，其位置表示為P'2=P2 xU2/人a0。由此，在進行波長校正之后獲得的刻度Sl與刻度S2之間 的間隔表示如下。
P,2-PtP2x入a2/入aO - Plx入al/入aO圖3是用于說明示例的圖，其中，在測量標準尺22的刻度 位置之后，通過利用塞曼激光束源11的波長人a的平均值人am來進行波 長校正。在此方法中，求塞曼激光束源11的波長人a的平均值，由此， 在測量圖3所示的標準尺22的刻度(Sl, S2…，Sn)的時刻獲得平均值 Xam。此時，在進行波長校正之后獲得的位置P'1由以下表達式表示。P，1=P1 x入amAaO
同樣，對于刻度S2，其位置表示為P，2 = P2 x人am/入aO。由此，在進行波長校正之后獲得的刻度Sl與刻度S2之間 的間隔表示如下。
P，2-P'1=P2 x人am/ iaO - Plx人am/XaO =(P2-Pl)x人am/入a0
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權利要求
1.一種長度測量裝置，包括長度測量部分，所述長度測量部分測量到被測物的距離并具有測量激光束源；校準激光束源，所述校準激光束源發(fā)射具有比所述測量激光束源的激光束的波長穩(wěn)定性高的波長穩(wěn)定性的激光束；干涉光學系統(tǒng)，所述干涉光學系統(tǒng)使得所述測量激光束源的激光束與所述校準激光束源的激光束干涉；以及運算處理部分，所述運算處理部分基于所述干涉光學系統(tǒng)的輸出和所述長度測量部分的輸出來計算所述距離。
2. 根據(jù)權利要求l所述的長度測量裝置，其中 所述校準激光束源為碘穩(wěn)頻激光束源。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的長度測量裝置，其中 所述干涉光學系統(tǒng)的輸出為所述測量激光束源的激光束與所述校準激光束源的激光束之間的頻率差，并且所述運算處理部分從所述頻率差來計算所述測量激光束源的激光 束的波長，并基于所述波長的計算結果從所述長度測量部分的輸出來 計算所述距離。
4. 根據(jù)權利要求1至3中的任一項所述的長度測量裝置，還包括 顯示部分，所述顯示部分基于通過所述運算處理部分中的計算而獲得的所述距離來顯示信息。
5. 根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的長度測量裝置，其中 在所述長度測量部分測量所述距離時，所述干涉光學系統(tǒng)使得所述測量激光束源的激光束與所述校準激光束源的激光束干涉，并且在所述長度測量部分測量所述距離時，所述運算處理部分基于所 述干涉光學系統(tǒng)的輸出和所述長度測量部分的輸出來計算所述距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用激光束的光學長度測量裝置，并提出能實現(xiàn)高度精確測量。所述長度測量裝置包括長度測量部分，該長度測量部分測量到被測物的距離并具有測量激光束源；校準激光束源，該校準激光束源發(fā)射激光束，該激光束的波長穩(wěn)定性高于所述測量激光束源的激光束的波長穩(wěn)定性；干涉光學系統(tǒng)，該干涉光學系統(tǒng)使得所述測量激光束源的激光束與所述校準激光束源的激光束干涉；以及運算處理部分，該運算處理部分基于所述干涉光學系統(tǒng)的輸出和所述長度測量部分的輸出來進行所述距離的計算。
文檔編號G01B11/02GK101680744SQ200880017428
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權日2007年5月25日
發(fā)明者高橋顯 申請人:株式會社尼康