[go: up one dir, main page]

JPH11108619A - Scale using laser beam - Google Patents

Scale using laser beam

Info

Publication number
JPH11108619A
JPH11108619A JP26698897A JP26698897A JPH11108619A JP H11108619 A JPH11108619 A JP H11108619A JP 26698897 A JP26698897 A JP 26698897A JP 26698897 A JP26698897 A JP 26698897A JP H11108619 A JPH11108619 A JP H11108619A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
scale
light
laser light
optical path
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP26698897A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyokazu Okamoto
清和 岡本
Kunitoshi Nishimura
国俊 西村
Morimasa Ueda
守正 上田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitutoyo Corp, Mitsutoyo Kiko Co Ltd filed Critical Mitutoyo Corp
Priority to JP26698897A priority Critical patent/JPH11108619A/en
Publication of JPH11108619A publication Critical patent/JPH11108619A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ultrahigh-accuracy scale which is not affected by secular changes nor the used environment of the scale. SOLUTION: Scale divisions 12 are marked on a structure 10 in the longitudinal direction, and a light-wave interferometer is provided in the structure 10. The optical path of the interferometer is filled up with a light-transmissive material 11 having a fixed refractive index, and an electric resistor 14 which heats the structure 10 is provided. The length of each scale division 12 marked on the structure 10 is measured as the true value of the division 12 by means of the interferometer provided with a beam splitter 16 and a corner cube 18. When a difference exists between the real value and the nominal length of the division 12, the structure 10 is expanded by heating by supplying an electric current to the resistor 14 by means of a current control section 24 and a controllable power source 22. Therefore, the influence of secular changes and the using environment on the structure 10 can be eliminated by making the true value coincident with the nominal value by controlling the temperature of the structure 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、物理的媒体の長手
方向に目盛りを記録した構造を有し、経時変化や使用環
境の影響を抑制したレーザ光利用の超高精度スケールに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultra-high-precision scale using a laser beam, which has a structure in which a scale is recorded in the longitudinal direction of a physical medium, and suppresses a change over time and an influence of a use environment.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、計測機器にはスケールを用い
たものとレーザ光を用いたものがある。スケールを用い
た測長は、空気中で移動中であっても安定した計測が可
能であるが、次のような欠点もある。すなわち、 (1)物理的媒体は、環境温度の影響を受けるので、目
盛りを記録した部分の長さが大きく変動する。例えば、
スチール系で、11.8μm/m℃精度が低下する。
2. Description of the Related Art Conventionally, there are a measuring instrument using a scale and a measuring instrument using a laser beam. The length measurement using a scale enables stable measurement even while moving in the air, but has the following disadvantages. That is, (1) Since the physical medium is affected by the environmental temperature, the length of the portion on which the scale is recorded greatly fluctuates. For example,
In steel system, 11.8 μm / m ° C. accuracy decreases.

【0003】(2)物理的媒体は、その目盛りを記録し
た部分の長さが外力(重力)が一定であっても鉛直姿勢
では不均一になり、精度が低下する。
[0003] (2) Even if the external medium (gravity) of the physical medium is constant in external force (gravity), the length of the portion on which the scale is recorded becomes non-uniform in the vertical posture, and the accuracy is reduced.

【0004】(3)物理的媒体は、経時的に伸縮傾向あ
り、温度変動に鈍感な低膨張ガラス(例えばゼロデュア
材(商品名))であっても、30〜70nm/m・年程
度の長手方向の経時変化があり、10年で0.3〜0.
7μm/m程度の大きな値となる。
(3) Even if the physical medium is a low-expansion glass (for example, Zerodur (trade name)) which is inextensible with time and insensitive to temperature fluctuation, its length is about 30 to 70 nm / m.year. There is a time-dependent change in the direction, and 0.3 to 0.
This is a large value of about 7 μm / m.

【0005】一方、レーザ光を用いた干渉測長計は、真
空中であれば波長を安定化したレーザ光の物理的特性が
そのまま発揮され、高精度の測長が可能となるが、空気
中では空気の揺らぎ(屈折率の変動)の影響を受けやす
く、特に移動中の計測にはその抑制限界がある。計測機
器の通常の使用環境は空気の存在する空間であり、かか
る環境下では物体の移動がもたらす空気の揺らぎの影響
で、1m程度の光路長区間でわずか2μmの運動でも
0.2μm程度の計測データの変動が報告されている。
したがって、大きく周波数の異なる2波長のレーザ光を
用いて常時この空気の揺らぎの補正を全光路区間に渡っ
て施す方式も実用化されているが、計測データの変動は
静止時±0.01μm程度が限界である。
On the other hand, in an interferometer using laser light, the physical characteristics of the laser light whose wavelength is stabilized can be exhibited as it is in a vacuum and high-precision length measurement is possible. It is susceptible to air fluctuations (fluctuations in the refractive index), and there is a limit to its suppression especially during measurement while moving. The normal use environment of measurement equipment is the space where air exists. Under such environment, due to the influence of the fluctuation of air caused by the movement of the object, measurement of about 0.2 μm is possible even with a movement of only 2 μm in the optical path length section of about 1 m. Data fluctuations have been reported.
Therefore, a method of always correcting this air fluctuation using laser light of two wavelengths having greatly different frequencies over the entire optical path section has been put to practical use, but the fluctuation of the measured data is about ± 0.01 μm at rest. Is the limit.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように、スケール
を用いた計測並びにレーザ光を用いた計測はそれぞれ欠
点があり、通常の環境下(つまり空気の存在する環境
下)において1mオーダの測長区間で1nm、0.1n
m程度の高分解能で安定した計測、特に移動体の位置計
測を行うことは極めて困難であった。
As described above, the measurement using a scale and the measurement using a laser beam have disadvantages, respectively, and have a length measurement of the order of 1 m under a normal environment (that is, under an environment where air exists). 1nm, 0.1n in section
It has been extremely difficult to perform stable measurement with a high resolution of about m, especially position measurement of a moving object.

【0007】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、真空中に設けられ
たレーザ光波干渉計と同程度の高分解能並びに高精度を
有し、かつ、通常の環境下において使用可能で移動体の
安定な計測も可能なスケールを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object the same high resolution and accuracy as a laser light wave interferometer provided in a vacuum, and It is an object of the present invention to provide a scale that can be used under a normal environment and that can stably measure a moving object.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第1の発明は、長手方向に沿って均一な熱膨張をも
たらし、かつ、その内部に均一な屈折率でレーザ光を透
過する物質を有する構造体と、前記構造体の外壁に設け
られる目盛りと、前記構造体内部にその光路が前記物質
内となるように設けられ、前記目盛りが設けられた部分
の長さを測定する光波干渉計と、前記光波干渉計で測定
された長さに基づいて前記構造体の温度を変化させる温
度制御手段とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a uniform thermal expansion along a longitudinal direction and transmits a laser beam with a uniform refractive index therein. A structure having a substance, a scale provided on an outer wall of the structure, and a light wave for measuring a length of a portion provided with the scale, the light path being provided inside the structure so that an optical path is within the substance. An interferometer and temperature control means for changing the temperature of the structure based on the length measured by the light wave interferometer are provided.

【0009】また、第2の発明は、第1の発明におい
て、前記温度制御手段は、前記構造体の長手方向に沿っ
て設けられ、印加電流に応じて発熱する電気抵抗体と、
前記電気抵抗体に電流を供給する電流供給手段とを有す
ることを特徴とする。
In a second aspect based on the first aspect, the temperature control means is provided along a longitudinal direction of the structure, and generates an electric resistance according to an applied current.
Current supply means for supplying a current to the electric resistor.

【0010】また、第3の発明は、第2の発明におい
て、前記電気抵抗体には、前記構造体の長手方向に沿っ
て複数の通電用端子が接続されており、前記電流供給手
段は、前記複数の通電用端子を介して前記電気抵抗体に
電流を供給し、前記構造体の長手方向の伸縮を一定にす
ることを特徴とする。
In a third aspect based on the second aspect, the electric resistor is connected to a plurality of current-carrying terminals along a longitudinal direction of the structure. A current is supplied to the electric resistor through the plurality of current-carrying terminals to make the expansion and contraction of the structure in the longitudinal direction constant.

【0011】また、第4の発明は、第1〜第3の発明に
おいて、前記構造体の温度を検出する温度検出手段をさ
らに有し、前記レーザ光は、前記構造体の温度が所定範
囲内にある場合に、前記光波干渉計で測定された長さと
公称値との差が1波長以内の位相差となるような波長を
有することを特徴とする。
In a fourth aspect based on the first to third aspects, the apparatus further comprises a temperature detecting means for detecting a temperature of the structure, wherein the laser beam is supplied when the temperature of the structure falls within a predetermined range. Wherein the difference between the length measured by the light wave interferometer and the nominal value has a phase difference within one wavelength.

【0012】また、第5の発明は、第1〜第4の発明に
おいて、前記光波干渉計は、前記目盛りの一端に対応し
て固定されたビームスプリッタ及び前記ビームスプリッ
タに対して相対的に固定された参照面反射器と、前記目
盛りの他端に対応して固定された被検面反射器と、参照
面側の参照分岐光と被検面側の信号分岐光路との光路差
を検出する光路差検出器とを有し、前記温度制御手段
は、前記光路差検出器で検出された光路差に基づいて温
度を制御することを特徴とする。
In a fifth aspect based on the first to fourth aspects, the light wave interferometer is fixed to one end of the scale and fixed relative to the beam splitter. A reference surface reflector, a test surface reflector fixed corresponding to the other end of the scale, and an optical path difference between reference branch light on the reference surface side and signal branch light path on the test surface side. An optical path difference detector, wherein the temperature control means controls the temperature based on the optical path difference detected by the optical path difference detector.

【0013】また、第6の発明は、第5の発明におい
て、前記光波干渉計は、さらに、前記レーザ光を射出す
る半導体光源と、前記光源と前記ビームスプリッタの
間、及び前記ビームスプリッタと前記被検面反射器の間
に配置されたアイソレータと、前記ビームスプリッタと
前記光路差検出手段の間に配置されたガスセルとを有す
ることを特徴とする。
In a sixth aspect based on the fifth aspect, the light wave interferometer further comprises: a semiconductor light source that emits the laser light; a light source between the light source and the beam splitter; It is characterized by having an isolator arranged between the reflectors to be inspected, and a gas cell arranged between the beam splitter and the optical path difference detecting means.

【0014】また、第7の発明は、第1〜第5の発明に
おいて、前記レーザ光は、前記構造体の外部より光ファ
イバを介して供給されることを特徴とする。
In a seventh aspect based on the first to fifth aspects, the laser beam is supplied from outside the structure via an optical fiber.

【0015】また、第8の発明は、第1〜第5の発明に
おいて、前記レーザ光は、前記構造体の端面に形成され
た透明窓を介して供給されることを特徴とする。
In an eighth aspect based on the first to fifth aspects, the laser beam is supplied through a transparent window formed on an end face of the structure.

【0016】また、第9の発明は、第1〜第8の発明に
おいて、前記レーザ光のモードは、単一モードであるこ
とを特徴とする。
According to a ninth aspect, in the first to eighth aspects, the mode of the laser beam is a single mode.

【0017】また、第10の発明は、第1〜第9の発明
において、前記光波干渉計は、光ヘテロダイン干渉法を
用いることを特徴とする。
According to a tenth aspect, in the first to ninth aspects, the light wave interferometer uses an optical heterodyne interferometry.

【0018】また、第11の発明は、第1〜第10の発
明において、前記構造体は、単結晶であることを特徴と
する。
According to an eleventh invention, in the first to tenth inventions, the structure is a single crystal.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0020】図1には、本実施形態におけるレーザ光を
用いたスケールの斜視図が示されている。このスケール
は、長手方向に沿って均一な熱膨張をもたらし、かつ、
その内部がレーザ光を透過する屈折率が均一な物質11
を有する構造体10を備えており、構造体10の外壁に
は目盛り12が長手方向に沿って記録されている。な
お、レーザ光を透過する物質の形態は問わないが、本実
施形態では固体を用いており、具体例として、ガラス、
プラスティックス、石英、水晶、二酸化シリコン等があ
る。
FIG. 1 is a perspective view of a scale using a laser beam according to the present embodiment. This scale provides uniform thermal expansion along the longitudinal direction, and
A substance 11 having a uniform refractive index through which laser light is transmitted.
And a scale 12 is recorded on the outer wall of the structure 10 along the longitudinal direction. Although the form of the substance that transmits laser light is not limited, a solid is used in the present embodiment.
There are plastics, quartz, quartz, silicon dioxide and the like.

【0021】また、構造体10の内部には、印加電流に
応じて長手方向に均一に発熱する電気抵抗体14が連続
的に形成されるとともに、構造体10の外壁に設けられ
た目盛り12部分の長さを測定する光波干渉計が設けら
れている。この光波干渉計は、入射したレーザ光の光路
を参照分岐光路100と信号分岐光路102に分離する
ビームスプリッタ16と、信号分岐光路102を反射す
るコーナキューブ18と、参照分岐光路100と信号分
岐光路102の光路差を検出する光路差検出器20を含
んで構成されており、その光路はレーザ光を透過する屈
折率均一の物質11で満たされている。また、電気抵抗
体14に電流を供給するための可制御電源22及び電流
制御部24が構造体10の外部に設けられている。
In the inside of the structure 10, an electric resistor 14 which generates heat uniformly in the longitudinal direction in accordance with an applied current is continuously formed, and a scale 12 provided on an outer wall of the structure 10 is formed. Is provided with a light wave interferometer for measuring the length. This light wave interferometer includes a beam splitter 16 that separates an optical path of an incident laser beam into a reference branch optical path 100 and a signal branch optical path 102, a corner cube 18 that reflects the signal branch optical path 102, a reference branch optical path 100, and a signal branch optical path. The apparatus includes an optical path difference detector 20 for detecting an optical path difference of 102, and its optical path is filled with a substance 11 having a uniform refractive index and transmitting a laser beam. Further, a controllable power supply 22 and a current control unit 24 for supplying a current to the electric resistor 14 are provided outside the structure 10.

【0022】なお、構造体10は、例えば単結晶シリコ
ン等で構成でき、単結晶シリコン長尺体に深孔加工(ガ
ンドリルと研削等)を施すことにより形成することがで
きる。また、電気抵抗体14は、例えばタングステン等
の金属を蒸着やスパッタ等により形成することができ
る。
The structure 10 can be made of, for example, single-crystal silicon or the like, and can be formed by subjecting a long single-crystal silicon body to deep hole processing (such as gun drilling and grinding). Further, the electric resistor 14 can be formed by vapor deposition or sputtering of a metal such as tungsten.

【0023】また、電気抵抗体14は、構造体10の内
部ではなく、目盛り12と同様に外壁に形成することも
できる。電気抵抗体14、可制御電源22及び電流制御
部24が温度制御手段として機能する。
The electric resistor 14 can be formed not on the inside of the structure 10 but on the outer wall in the same manner as the scale 12. The electric resistor 14, the controllable power supply 22, and the current control unit 24 function as temperature control means.

【0024】図2には、構造体10の内部に設けられる
光波干渉計の構成が示されている。入射したレーザ光は
ビームスプリッタ16に入射し、その一面で参照分岐光
路100と信号分岐光路102に分離される。参照分岐
光路100は、ビームスプリッタ16内で反射を繰り返
し、光路差検出器20に入射する。一方、信号分岐光路
102は、ビームスプリッタ16を透過し、コーナキュ
ーブ18に入射する。そして、コーナキューブ18で反
射され、再びビームスプリッタ16に入射して光路差検
出器20に入射する。
FIG. 2 shows the structure of the light wave interferometer provided inside the structure 10. The incident laser light enters the beam splitter 16 and is separated on one surface into a reference branch optical path 100 and a signal branch optical path 102. The reference branch optical path 100 repeats reflection in the beam splitter 16 and enters the optical path difference detector 20. On the other hand, the signal branch optical path 102 passes through the beam splitter 16 and enters the corner cube 18. Then, the light is reflected by the corner cube 18, enters the beam splitter 16 again, and enters the optical path difference detector 20.

【0025】ここで、ビームスプリッタ16は構造体1
0の外壁に設けられた目盛り12の一端に対応した位置
に設けられ、コーナキューブ18は目盛り12の他端に
対応した位置に設けられており、参照分岐光路100と
信号分岐光路102の光路差が目盛り12の一端から他
端までの距離に対応するようになっている。また、ビー
ムスプリッタ16とコーナキューブ18はそれぞれレー
ザ光を透過する物質11と密着し、密着部位にはマッチ
ングオイル等を塗布してレーザ光の反射や減衰が生じな
いようになっている。従って、参照分岐光路100上と
信号分岐光路102上の屈折率変動がほとんどなく、光
路差検出器20で参照分岐光路100と信号分岐光路1
02の光路差を検出することにより、目盛り12の一端
から他端までの距離、すなわち目盛り12が記録されて
いる部分の長さの真値を確実に測定することができる。
Here, the beam splitter 16 has the structure 1
0 is provided at a position corresponding to one end of the graduation 12 provided on the outer wall of the graduation 12, and the corner cube 18 is provided at a position corresponding to the other end of the graduation 12. Corresponds to the distance from one end of the scale 12 to the other end. The beam splitter 16 and the corner cube 18 are in close contact with the substance 11 that transmits laser light, and a matching oil or the like is applied to the adhered portion so that reflection or attenuation of the laser light does not occur. Accordingly, there is almost no change in the refractive index on the reference branch optical path 100 and the signal branch optical path 102, and the optical path difference detector 20 uses the reference branch optical path 100 and the signal branch optical path 1.
By detecting the optical path difference of 02, the distance from one end to the other end of the scale 12, that is, the true value of the length of the portion where the scale 12 is recorded can be reliably measured.

【0026】なお、光路差を検出する方法としては、例
えばホモダイン法を用いて両光路の位相差を干渉光の強
度として検出すればよい。
As a method of detecting the optical path difference, the phase difference between the two optical paths may be detected as the intensity of the interference light using, for example, the homodyne method.

【0027】図3には、光波干渉計で用いられるレーザ
光を供給するためのレーザ光源の一例が示されている。
光源としては、レーザダイオード(LD)を用いること
ができ、LD恒温槽30内に設けられてその温度が一定
に維持される。レーザダイオードから射出したレーザ光
は、アイソレータ32を介してビームスプリッタ33に
入射する。アイソレータ32は、戻り光がレーザダイオ
ードに入射するのを防いでレーザダイオードを安定に動
作させるためのものである。ビームスプリッタ33に入
射したレーザ光は、2つに分岐され、ビームスプリッタ
33を透過したレーザ光はアイソレータ34を介してビ
ームスプリッタ16やコーナキューブ18に入射する。
なお、このアイソレータ34もアイソレータ32と同様
に戻り光を防いでレーザダイオードを安定に動作させる
ためのものである。
FIG. 3 shows an example of a laser light source for supplying laser light used in a light wave interferometer.
As a light source, a laser diode (LD) can be used, which is provided in an LD thermostat 30 and its temperature is kept constant. The laser light emitted from the laser diode enters the beam splitter 33 via the isolator 32. The isolator 32 prevents return light from being incident on the laser diode and stably operates the laser diode. The laser light incident on the beam splitter 33 is split into two, and the laser light transmitted through the beam splitter 33 is incident on the beam splitter 16 and the corner cube 18 via the isolator 34.
Note that the isolator 34 is also for preventing the return light and operating the laser diode stably, similarly to the isolator 32.

【0028】一方、ビームスプリッタ33で反射したレ
ーザ光はガスセルに入射する。ガスセル36は特定の吸
収線をもったガスを封入したセルであり、特定の周波数
の光のみを減衰させる。ガスセル36の出力はフォトダ
イオード(PD)38に供給され、ガスセルの出力を電
気信号に変換する。従って、ガスセル36で減衰された
特定の周波数のみが若干減衰した信号として取り出され
る。フォトダイオード38からの信号は、ロックインア
ンプ40に供給される。
On the other hand, the laser light reflected by the beam splitter 33 enters the gas cell. The gas cell 36 is a cell filled with a gas having a specific absorption line, and attenuates only light of a specific frequency. The output of the gas cell 36 is supplied to a photodiode (PD) 38, which converts the output of the gas cell into an electric signal. Therefore, only the specific frequency attenuated by the gas cell 36 is extracted as a slightly attenuated signal. The signal from the photodiode 38 is supplied to the lock-in amplifier 40.

【0029】ロックインアンプ40は、同期検波により
特定周波数の出力のみを取り出して補償器42に供給す
る。
The lock-in amplifier 40 extracts only an output of a specific frequency by synchronous detection and supplies it to a compensator 42.

【0030】補償器42は、フィードバックループで用
いられるPID制御器等と同様に閉ループの特性(応答
性や安定性等)を改善するためのものであり、補償器4
2からの出力はLDドライバ44に供給される。
The compensator 42 is for improving the characteristics (response, stability, etc.) of the closed loop, like the PID controller and the like used in the feedback loop.
The output from 2 is supplied to the LD driver 44.

【0031】LDドライバ44は一定周波数で変調され
たLDドライブ信号を生成し、LD恒温槽30内のレー
ザダイオードに供給する。これにより、レーザダイオー
ドの発光周波数が一定となるように調整される。
The LD driver 44 generates an LD drive signal modulated at a constant frequency and supplies it to the laser diode in the LD thermostat 30. Thereby, the emission frequency of the laser diode is adjusted to be constant.

【0032】なお、LD恒温槽30、アイソレータ3
2、ビームスプリッタ33、アイソレータ34、ガスセ
ル36、フォトダイオード38は構造体10内に配置す
ることができる。
The LD thermostat 30, the isolator 3
2. The beam splitter 33, the isolator 34, the gas cell 36, and the photodiode 38 can be arranged in the structure 10.

【0033】本実施形態のスケールは以上のような構成
であり、次のように機能する。すなわち、まず、構造体
10内部に設けられた光波干渉計で目盛り12が記録さ
れた部分の長さが光路差検出器20で測定される。な
お、光路差を測定するためには、光路差検出器20で検
出される位相差が1波長以内となるような波長を有する
レーザ光を用いる必要があることは言うまでもない。そ
して、測定値(具体的には、参照分岐光路100と信号
分岐光路102の光路差データ)は、光路差検出器20
から電流制御部24に供給され、スケールの公称値との
差異が算出される。この差異は、経時変化や使用環境の
影響(温度変動による媒体の伸縮)によるものであり、
この公称値と真値の相違を解消すべく、電流制御部24
は可制御電源22に制御信号を供給し、相違量に応じた
電流を電気抵抗体14に供給して構造体10を長手方向
に一様に加熱する。
The scale of the present embodiment has the above-described configuration, and functions as follows. That is, first, the optical path difference detector 20 measures the length of the portion where the scale 12 is recorded by the light wave interferometer provided inside the structure 10. Needless to say, in order to measure the optical path difference, it is necessary to use laser light having a wavelength such that the phase difference detected by the optical path difference detector 20 is within one wavelength. Then, the measured value (specifically, the optical path difference data between the reference branch optical path 100 and the signal branch optical path 102) is output to the optical path difference detector 20.
Is supplied to the current controller 24, and the difference from the nominal value of the scale is calculated. This difference is due to aging and the effect of the use environment (expansion and contraction of the medium due to temperature fluctuation).
In order to eliminate the difference between the nominal value and the true value, the current control unit 24
Supplies a control signal to the controllable power supply 22, supplies a current corresponding to the difference to the electric resistor 14, and heats the structure 10 uniformly in the longitudinal direction.

【0034】このように、構造体10に経時変化や使用
環境の影響により伸縮が生じても、その伸縮の度合いを
光波干渉計で正確に測定し、構造体10の目盛り12の
部分の長さを公称値に一致させることができるので、結
果として高精度の測長が可能となる。
As described above, even if the structure 10 expands and contracts due to a change with time and the use environment, the degree of the expansion and contraction is accurately measured by the light wave interferometer, and the length of the scale 12 portion of the structure 10 is measured. Can be matched with the nominal value, and as a result, highly accurate length measurement is possible.

【0035】なお、上記の説明では電気抵抗体14に電
流を供給することにより、構造体10を加熱膨張せしめ
て真値と公称値を一致させる場合を示したが、本発明の
要旨は構造体10の温度を制御することによって真値と
公称値を一致させることにあるので、構造体10を加熱
するのみならず、冷水や低温気体等により構造体10を
冷却せしめることで真値と公称値を一致させることも可
能である。具体的には、真値<公称値の場合には加熱膨
張させ、真値>公称値の場合には冷却収縮させればよ
い。
In the above description, the case where the current is supplied to the electric resistor 14 to expand the structure 10 by heating to make the true value equal to the nominal value has been described. Since the true value and the nominal value are made to match by controlling the temperature of the structure 10, not only the structure 10 is heated but also the structure 10 is cooled by cold water, low-temperature gas, or the like, so that the true value and the nominal value are reduced. Can also be matched. Specifically, when the true value is smaller than the nominal value, heating and expansion are performed, and when the true value is greater than the nominal value, cooling and contraction are performed.

【0036】また、上記実施形態においては、電気抵抗
体14を構造体10内に一様(連続的)に形成している
が、構造体10の長手方向に沿って形成された電気抵抗
体14に対して複数の通電用端子を設け、これにより電
流を印加する領域を適宜選択して加熱領域を限定するこ
とも可能である。
In the above embodiment, the electric resistor 14 is formed uniformly (continuously) in the structure 10, but the electric resistor 14 is formed along the longitudinal direction of the structure 10. It is also possible to provide a plurality of current-carrying terminals, thereby appropriately selecting a region to which a current is to be applied and limiting a heating region.

【0037】図4には、このような場合の構成が示され
ている。電気抵抗体14は構造体10内に所定間隔でリ
ング状に形成され、それぞれの電気抵抗体14には通電
用端子k1、k2、・・・knが接続されている。通電
用端子k1、k2・・は可制御電源22内に設けられ
る。そして、光路差検出器20からの検出信号が電流制
御部24に供給されると、電流制御部24は、真値と公
称値が一致するように複数の通電用端子のいずれか(例
えば、k1とk2のみ)をONして構造体10を部分的
に加熱する。これにより、構造体10に作用する重力や
構造体支持機構より作用する外力等によって構造体の長
手方向の伸縮が一様でない場合であっても、長手方向の
伸縮をほぼ一様に補正して真値と公称値を一致させるこ
とができる。
FIG. 4 shows a configuration in such a case. The electric resistors 14 are formed in a ring shape at predetermined intervals in the structure 10, and each of the electric resistors 14 is connected to an energizing terminal k 1, k 2,... Kn. .. Are provided in the controllable power supply 22. When the detection signal from the optical path difference detector 20 is supplied to the current control unit 24, the current control unit 24 selects one of the plurality of energizing terminals (for example, k1) so that the true value and the nominal value match. ON only) and k2) to partially heat the structure 10. Thereby, even if the longitudinal expansion and contraction of the structure is not uniform due to the gravity acting on the structure 10 or the external force acting from the structure support mechanism, the longitudinal expansion and contraction is corrected almost uniformly. The true value and the nominal value can be matched.

【0038】なお、電気抵抗体14の形状は任意であ
り、図1と同様に構造体10内に一様に形成し、その任
意の部分に複数の通電用端子を接続して部分的に通電し
加熱させることもできる。
The shape of the electric resistor 14 is arbitrary. The electric resistor 14 is formed uniformly in the structure 10 similarly to FIG. 1, and a plurality of energizing terminals are connected to an arbitrary portion thereof to partially energize. And then heat it.

【0039】また、上記実施形態において、構造体10
の温度を検出する温度検出器を更に設け、検出された温
度に基づいて電気抵抗体14に供給する電流を制御する
ことも可能である。
In the above embodiment, the structure 10
It is also possible to further provide a temperature detector for detecting the temperature of the electric resistor 14 and to control the current supplied to the electric resistor 14 based on the detected temperature.

【0040】図5には、このように温度検出器を用いて
真値と公称値を一致させる場合の構成が示されている。
温度検出器50は構造体10内に設けられ、その温度を
検出して出力する。そして、可制御電源22から電気抵
抗体14に電流を供給して検出温度が所定範囲の値にな
るように設定し、この状態で光波干渉計の検出信号が1
波長以内の位相差となるような波長のレーザ光を投入し
て目盛り12部分の長さの真値と公称値の差異が1波長
以内になるようにする。
FIG. 5 shows a configuration in which the true value and the nominal value are matched using the temperature detector.
The temperature detector 50 is provided in the structure 10 and detects and outputs the temperature. Then, a current is supplied from the controllable power supply 22 to the electric resistor 14 so that the detected temperature is set to a value within a predetermined range. In this state, the detection signal of the light wave interferometer becomes 1
A laser beam having a wavelength having a phase difference within the wavelength is supplied so that the difference between the true value and the nominal value of the length of the scale 12 is within one wavelength.

【0041】具体的には、図5の構成において、所定範
囲の温度を支持する指示温度値と検出温度値との差分を
減算器51で算出し、増幅した後しきい値検出回路54
に供給する。しきい値検出回路54では、指示温度値と
検出温度値との差が許容しきい値以上であるか否かを判
定し、しきい値以上である場合、つまり検出温度が未だ
所定範囲に設定されていない場合には、スイッチ52を
a接点側に切り換えて両温度値の差分値を可制御電源2
2に供給する。可制御電源22は両温度値の差分値に応
じた電流を電気抵抗体14に供給して両温度値がほぼ一
致するまで加熱する。
More specifically, in the configuration shown in FIG. 5, the difference between the indicated temperature value supporting a predetermined range of temperature and the detected temperature value is calculated by the subtractor 51, and after amplification, the threshold value detection circuit 54
To supply. The threshold value detection circuit 54 determines whether or not the difference between the indicated temperature value and the detected temperature value is equal to or greater than an allowable threshold value. If not, the switch 52 is switched to the contact a side, and the difference between the two temperature values is set to the controllable power supply 2.
Feed to 2. The controllable power supply 22 supplies a current corresponding to the difference between the two temperature values to the electric resistor 14 and heats the electric resistance 14 until the two temperature values substantially match.

【0042】そして、しきい値検出回路54で、両温度
値の差分が許容しきい値以下となった場合、つまり構造
体10の温度が所定範囲内となった場合には、真値と公
称値の差が1波長以内となるような波長を有するレーザ
光を光波干渉計に導入するとともに、スイッチ52をb
接点に切り換えて真値と公称値が一致するように電気抵
抗体14を加熱する。これにより、より高精度に真値と
公称値を一致させ、使用環境によらず高精度の測長が可
能となる。
When the difference between the two temperature values is equal to or smaller than the allowable threshold value, that is, when the temperature of the structure 10 falls within a predetermined range, the threshold value detection circuit 54 sets the nominal value as a true value. A laser beam having a wavelength such that the value difference is within one wavelength is introduced into the lightwave interferometer, and the switch 52 is set to b
The electrical resistor 14 is heated by switching to a contact point so that the true value and the nominal value match. As a result, the true value and the nominal value can be matched with higher accuracy, and highly accurate length measurement can be performed regardless of the use environment.

【0043】また、上記実施形態においてはレーザ光源
として構造体10内に設けたレーザダイオードを用いた
が、本発明はこれに限定されることなく構造体10の外
部に設けられたレーザ光源からのレーザ光を用いること
も可能である。
In the above embodiment, a laser diode provided in the structure 10 is used as a laser light source. However, the present invention is not limited to this, and a laser diode provided outside the structure 10 may be used. Laser light can also be used.

【0044】図6には、構造体10の外部に設けられた
レーザ光源60から射出したレーザ光を光ファイバ62
を用いて構造体10内の光波干渉計に導く構成が示され
ている。光ファイバ62を介して構造体10内に導入さ
れたレーザ光はコリメート光源64に入射し、平行光と
された後、光波干渉計のビームスプリッタ16に入射す
る。
FIG. 6 shows a laser beam emitted from a laser light source 60 provided outside the structure 10 to an optical fiber 62.
Is shown to guide to the lightwave interferometer in the structure 10 using. The laser light introduced into the structure 10 via the optical fiber 62 enters the collimator light source 64, is converted into parallel light, and then enters the beam splitter 16 of the light wave interferometer.

【0045】一方、図7には、外部光源を用いる他の例
が示されており、構造体10の一側面にはレーザ光を透
過する透明窓66が形成されており、レーザ光源60か
らのレーザ光はこの透明窓66から構造体10内の光波
干渉計に導入される。
On the other hand, FIG. 7 shows another example in which an external light source is used. Laser light is introduced from the transparent window 66 into the light wave interferometer in the structure 10.

【0046】以上、本発明の実施形態について説明した
が、上記各場合において、用いるレーザ光は単一モード
であることが光波干渉計の測長精度の観点から好まし
い。
Although the embodiments of the present invention have been described above, in each of the above cases, it is preferable that the laser beam used is in a single mode from the viewpoint of the length measurement accuracy of the light wave interferometer.

【0047】また、光波干渉計におけるスケールの測長
方法としては上述したホモダイン法ではなく、より高精
度の検出が可能な光ヘテロダイン干渉法を用いることも
好ましい。光ヘテロダイン干渉法では、参照光の位相を
信号光に対して一定の変化率で変化させることで時間的
なキャリアを生成させるものであり、参照分岐と信号分
岐へ導入する光の周波数をそれぞれ変化させ、2つの分
岐の位相差をビート角周波数を単位とする時間の関数と
するものである。これにより、位相差測定をホモダイン
法のような強度の検出ではなく、時間差の検出で行うこ
とができるので、時間カウンタ等の汎用計測器が使用で
き、より高精度に構造体10の目盛り12部分の長さを
測定し、伸縮量を測定することができる。
Further, as a method of measuring the length of the scale in the light wave interferometer, it is preferable to use an optical heterodyne interferometry capable of detecting with higher accuracy, instead of the homodyne method described above. In optical heterodyne interferometry, a temporal carrier is generated by changing the phase of a reference light at a constant rate of change with respect to a signal light, and the frequency of light introduced into a reference branch and a signal branch is changed. And the phase difference between the two branches is a function of time in units of beat angular frequency. As a result, the phase difference measurement can be performed not by detecting the intensity as in the homodyne method but by detecting the time difference, so that a general-purpose measuring instrument such as a time counter can be used, and the scale 12 of the structure 10 can be more accurately measured. Can be measured, and the amount of expansion and contraction can be measured.

【0048】さらに、本実施形態では、構造体10の温
度を制御する方法として、電気抵抗体による加熱や冷媒
による冷却を示したが、構造体10の温度を変化させる
任意の方法を用いることが可能であり、これらは全て本
発明の技術的範囲に含まれるものである。
Furthermore, in the present embodiment, as a method of controlling the temperature of the structure 10, heating by an electric resistor and cooling by a refrigerant have been described, but any method of changing the temperature of the structure 10 may be used. It is possible, and they are all included in the technical scope of the present invention.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
屈折率一定の環境下において光波干渉計でスケールの真
値を高精度に測定し、この結果に基づいて公称値と真値
を一致させるべくスケールを伸縮させるので、スケール
の経時変化や使用環境の影響を除去し、通常の環境下に
おいても超高精度の測長が可能となる。
As described above, according to the present invention,
Under an environment with a constant refractive index, the true value of the scale is measured with high precision using an optical interferometer, and the scale is expanded and contracted to match the nominal value with the true value based on the results. The influence is removed, and ultra-high-precision length measurement is possible even under a normal environment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施形態のスケールの斜視図であ
る。
FIG. 1 is a perspective view of a scale according to an embodiment of the present invention.

【図2】 実施形態の光波干渉計の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a light wave interferometer of the embodiment.

【図3】 実施形態のレーザ光源の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a laser light source according to the embodiment.

【図4】 他の実施形態における電気抵抗体及び通電端
子の配置説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view of an arrangement of an electric resistor and a current-carrying terminal according to another embodiment.

【図5】 他の実施形態におけるスケールの構成図であ
る。
FIG. 5 is a configuration diagram of a scale according to another embodiment.

【図6】 他の実施形態におけるレーザ光源の配置説明
図である。
FIG. 6 is an explanatory view of an arrangement of a laser light source in another embodiment.

【図7】 他の実施形態におけるレーザ光源の配置説明
図である。
FIG. 7 is an explanatory view of an arrangement of a laser light source in another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 構造体、11 レーザ光透過物質、12 目盛
り、14 電気抵抗体、16 ビームスプリッタ、18
コーナキューブ、20 光路差検出器、22可制御電
源、24 電流制御部、30 LD恒温槽、32 アイ
ソレータ、33ビームスプリッタ、34 アイソレー
タ、36 ガスセル、38 フォトダイオード、40
ロックインアンプ、42 補償器、44 LDドライ
バ、50温度検出器、54 しきい値検出回路、62
光ファイバ、64 コリメート光源、100 参照分岐
光路、102 信号分岐光路。
Reference Signs List 10 structure, 11 laser light transmitting material, 12 scales, 14 electric resistor, 16 beam splitter, 18
Corner cube, 20 optical path difference detector, 22 controllable power supply, 24 current control unit, 30 LD constant temperature bath, 32 isolator, 33 beam splitter, 34 isolator, 36 gas cell, 38 photodiode, 40
Lock-in amplifier, 42 compensator, 44 LD driver, 50 temperature detector, 54 threshold detection circuit, 62
Optical fiber, 64 collimated light sources, 100 reference branch light path, 102 signal branch light path.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 長手方向に沿って均一な熱膨張をもたら
し、かつ、その内部に均一な屈折率でレーザ光を透過す
る物質を有する構造体と、 前記構造体の外壁に設けられる目盛りと、 前記構造体内部にその光路が前記物質内となるように設
けられ、前記目盛りが設けられた部分の長さを測定する
光波干渉計と、 前記光波干渉計で測定された長さに基づいて前記構造体
の温度を変化させる温度制御手段と、 を有することを特徴とするレーザ光を用いたスケール。
1. A structure having a substance that provides uniform thermal expansion along a longitudinal direction and transmits laser light with a uniform refractive index therein, and a scale provided on an outer wall of the structure; An optical wave interferometer for measuring the length of a portion where the scale is provided is provided such that an optical path thereof is inside the substance inside the structure, and based on the length measured by the optical wave interferometer, A scale using laser light, comprising: temperature control means for changing the temperature of the structure.
【請求項2】 請求項1記載のスケールにおいて、 前記温度制御手段は、 前記構造体の長手方向に沿って設けられ、印加電流に応
じて発熱する電気抵抗体と、 前記電気抵抗体に電流を供給する電流供給手段と、 を有することを特徴とするレーザ光を用いたスケール。
2. The scale according to claim 1, wherein the temperature control unit is provided along a longitudinal direction of the structure, and generates an electric resistance according to an applied current, and supplies a current to the electric resistance. A scale using laser light, comprising: a current supply unit for supplying;
【請求項3】 請求項2記載のスケールにおいて、 前記電気抵抗体には、前記構造体の長手方向に沿って複
数の通電用端子が接続されており、 前記電流供給手段は、前記複数の通電用端子を介して前
記電気抵抗体に電流を供給し、前記構造体の長手方向の
伸縮を一定にすることを特徴とするレーザ光を用いたス
ケール。
3. The scale according to claim 2, wherein a plurality of current-carrying terminals are connected to the electric resistor along a longitudinal direction of the structure, and the current supply means includes a plurality of current-carrying terminals. A scale using laser light, characterized in that a current is supplied to the electric resistor through a terminal for use to make the expansion and contraction of the structure in the longitudinal direction constant.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載のスケー
ルにおいて、 前記構造体の温度を検出する温度検出手段をさらに有
し、 前記レーザ光は、前記構造体の温度が所定範囲内にある
場合に、前記光波干渉計で測定された長さと公称値との
差が1波長以内の位相差となるような波長を有すること
を特徴とするレーザ光を用いたスケール。
4. The scale according to claim 1, further comprising a temperature detecting unit configured to detect a temperature of the structure, wherein the laser light is provided such that the temperature of the structure is within a predetermined range. In some cases, the scale using laser light has a wavelength such that a difference between the length measured by the light wave interferometer and a nominal value is a phase difference within one wavelength.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載のスケー
ルにおいて、 前記光波干渉計は、 前記目盛りの一端に対応して固定されたビームスプリッ
タ及び前記ビームスプリッタに対して相対的に固定され
た参照面反射器と、 前記目盛りの他端に対応して固定された被検面反射器
と、 参照面側の参照分岐光と被検面側の信号分岐光路との光
路差を検出する光路差検出器と、 を有し、 前記温度制御手段は、前記光路差検出器で検出された光
路差に基づいて温度を制御することを特徴とするレーザ
光を用いたスケール。
5. The scale according to claim 1, wherein the light wave interferometer is fixed to one end of the scale and fixed relative to the beam splitter. A reference surface reflector, a test surface reflector fixed corresponding to the other end of the scale, and an optical path for detecting an optical path difference between the reference branch light on the reference surface side and the signal branch light path on the test surface side. And a difference detector, wherein the temperature control means controls the temperature based on the optical path difference detected by the optical path difference detector.
【請求項6】 請求項5記載のスケールにおいて、 前記光波干渉計は、さらに、 前記レーザ光を射出する半導体光源と、 前記光源と前記ビームスプリッタの間、及び前記ビーム
スプリッタと前記被検面反射器の間に配置されたアイソ
レータと、 前記ビームスプリッタと前記光路差検出手段の間に配置
されたガスセルと、 を有することを特徴とするレーザ光を用いたスケール。
6. The scale according to claim 5, wherein the light wave interferometer further includes: a semiconductor light source that emits the laser light; and between the light source and the beam splitter, and between the beam splitter and the surface to be measured. A scale using a laser beam, comprising: an isolator disposed between devices, and a gas cell disposed between the beam splitter and the optical path difference detecting means.
【請求項7】 請求項1〜5のいずれかに記載のスケー
ルにおいて、 前記レーザ光は、前記構造体の外部より光ファイバを介
して供給されることを特徴とするレーザ光を用いたスケ
ール。
7. The scale according to claim 1, wherein the laser light is supplied from outside the structure via an optical fiber.
【請求項8】 請求項1〜5のいずれかに記載のスケー
ルにおいて、 前記レーザ光は、前記構造体の端面に形成された透明窓
を介して供給されることを特徴とするレーザ光を用いた
スケール。
8. The scale according to claim 1, wherein the laser light is supplied through a transparent window formed on an end face of the structure. Scale.
【請求項9】 請求項1〜8のいずれかに記載のスケー
ルにおいて、 前記レーザ光のモードは、単一モードであることを特徴
とするレーザ光を用いたスケール。
9. The scale according to claim 1, wherein the mode of the laser light is a single mode.
【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載のスケ
ールにおいて、 前記光波干渉計は、光ヘテロダイン干渉法を用いること
を特徴とするスケール。
10. The scale according to claim 1, wherein the light wave interferometer uses an optical heterodyne interferometry.
【請求項11】 請求項1〜10のいずれかに記載のス
ケールにおいて、 前記構造体は、単結晶であることを特徴とするレーザ光
を用いたスケール。
11. The scale according to claim 1, wherein the structure is a single crystal.
JP26698897A 1997-09-30 1997-09-30 Scale using laser beam Pending JPH11108619A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26698897A JPH11108619A (en) 1997-09-30 1997-09-30 Scale using laser beam

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26698897A JPH11108619A (en) 1997-09-30 1997-09-30 Scale using laser beam

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH11108619A true JPH11108619A (en) 1999-04-23

Family

ID=17438511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP26698897A Pending JPH11108619A (en) 1997-09-30 1997-09-30 Scale using laser beam

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH11108619A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5172185A (en) Device for determining or stabilizing the wavelength of laser light in a gaseous ambient medium
EP0646767B1 (en) Interferometric distance measuring apparatus
JP3662282B2 (en) Method and sensor for measuring temperature in real time in a processing unit
US9417261B2 (en) Atomic referenced optical accelerometer
US5668826A (en) Electro-optical device comprising a controlled laser diode
US5177566A (en) Interferometer with environment sensitive static etalon
Guntau et al. Novel method to measure bulk absorption in optically transparent materials
US4974961A (en) Optical fibre measuring system
CN102192799A (en) Probe for temperature measurement, temperature measuring system and temperature measuring method using the same
US6185344B1 (en) Optical device for detecting traces of gaseous hydrogen in situ in an environment at cryogenic temperatures
JP3242139B2 (en) Gas refractometer
US20030046024A1 (en) Apparatus and method for volumetric dilatometry
JP5728793B2 (en) Non-contact measuring device
JP2725434B2 (en) Absolute length measuring method and absolute length measuring device using FM heterodyne method
JPH11108619A (en) Scale using laser beam
JPH11108693A (en) Scale using laser beam
Riza et al. Harsh environments minimally invasive optical sensing technique for extreme temperatures: 1000 degrees C and approaching 2500 degrees C
JPH03269302A (en) absolute length measuring device
US6034773A (en) Length measuring machine and method using laser beams
US8290007B2 (en) Apparatus and method for stabilizing frequency of laser
Kidd et al. Interferometric fibre sensors for measurement of surface heat transfer rates on turbine blades
Köchert et al. The PTB multiwavelength interferometer for distances up to 5000m
JPS58208602A (en) Laser device and interferometer with said laser device
Seta et al. Interferometric absolute distance measurement utilizing a mode-jump region of a laser diode
Yeh Development of fiber optic interferometric temperature sensor system