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干渉計について

レーザー干渉計は、距離を高精度で計測する上で、確立された手段です。

基礎

「干渉計」は、波(通常は光、無線、音の波)の干渉現象を測定するための方法です。これには、波自体に加えて波と干渉する物質の特定特性を測定します。また、光波から偏差量の変化を調べるためにも干渉計を使用することができます。このような偏差を測定する干渉計は、キャリブレーションや高精度製造における機械ステージのモーションコントロールに広く活用されています。

2 本の光線(通常 1 本のビームを 2 つに分割したもの)を使用した場合には、2 本のビームを重ねたときに干渉パターンが形成されます。この可視光の波長は非常に短いため、2 本のビーム間の光学パス(移動距離)の差の極めて小さな変化を検出することができます(この差により干渉パターンに顕著な変化が認められるようになります)。このような光学干渉計は、有益な測定技術として百年以上にわたって活用されてきました。その測定精度は、レーザーの考案によって大幅に改善されました。

光干渉の原理を測定ツールに利用する方法を最初に示したのは、1880 年代に初の干渉計を開発したアルバート・A・マイケルソンでした。以来、この技術(とその測定精度)は大幅な発展を遂げていますが、マイケルソンの干渉計の基本原理は今も変わりません。

マイケルソンの干渉計は、1 つのビームスプリッター(ハーフミラー)と 2 つのミラーから構成されています。光がハーフミラー/ビームスプリッター(部分的に光を反射)に当たると、2 本のビームに分かれ、それぞれが異なる光学パスをたどります(ミラー 1 に向かうものとミラー 2 に向かうもの)。これらのビームはミラーに反射した後、ビームスプリッターで再結合されてから検出器に到達します。これら 2 本のビームのパスの差によって位相差が発生することで、干渉縞パターンが形成されます。このパターンを検出器で分析することにより、波の特性、物質の特性、いずれかのミラーの偏差を評価することができます(測定対象は各測定に依存)。

マイケルソン干渉計図

干渉計の応用

高精度の干渉パターン(はっきりとした縞)を取得するためには、1 つの安定性の高い波長の光源を使用することが重要になりますが、これには XL-80 レーザーを使用することができます。

マイケルソンの原理に基づく干渉計のセットアップにはさまざまなものがありますが、最も説明が簡単なのは、位置決め用のセットアップです。

XL-80 レーザーシステムでは、2 つのミラー(マイケルソンの干渉計に使用されるもの)が反射鏡(入射光を入射した方向と平行に反射するプリズム)になります。反射鏡の 1 つはビームスプリッターに取り付けて参照用に使用します。別の反射鏡は、ビームスプリッターに対する距離が変化するため、可変長の計測用となります。

レーザービーム(1)が XL-80 レーザーヘッドから発射され、ビームスプリッターにより 2 つのビーム(反射ビーム(2)と透過ビーム(3))に分割されます。これらのビームが 2 つの反射鏡によって反射され、ビームスプリッターで再結合されてから検出器に到達します。反射鏡を使用することで、参照パスと測定パスからのビームがビームスプリッターで再結合される際の平行性が保たれます。再結合されたビームが検出器に到達すると、お互いを強めあう(建設的干渉)か弱めあう(相殺的干渉)ことになります。強めあう干渉では、2 本のビームが同相になり、両ビームの山が増強されて干渉縞が明るくなりますが、弱めあう干渉ではビームが逆相になり、1 つのビームの山が 2 番目の谷によって打ち消されて、干渉縞が暗くなります。

レーザーのセットアップ

検出器内の光学信号処理機能により、これら 2 つのビームの干渉を観察することができます。計測ビームがずれた場合には、2 つのビームの相対的な位相に変化が起こります。この強めあう干渉と弱めあう干渉の周期によって、再結合された光の強さに周期的な変化が発生します。明るい干渉縞から暗い干渉縞になり明るい干渉縞に変わる位相差の一周期は、計測ビーム/反射鏡が 316.5nm、つまり半レーザー波長分移動する度に見られることになります(この移動により光学パスがレーザー波長分の 633nm 変化します)。そのため、この移動距離は次の式により周期数を計算することで求めることができます。

式

ここで、d は偏差(ミクロン単位)、λ はレーザー波長(0.633 ミクロン)、N は通過した縞の数です。これらの周期内の位相の内挿分割を行うことで、1nm というより高い分解能を確保することができます。

レーザーユニットがどれほど優れていても(どれほど精度や安定性が高くても)、位置決め計測精度は、レーザービームの波長精度に依存します。レーザービームの動作波長はレーザービームが通過する空気の屈折率に依存しますが、この屈折率は気温、気圧、相対湿度に応じて変化します。従って、これらの環境条件の変化に対応するために、ビームの波長を変更(補正)する必要があります。

環境補正

信頼できる正確な波長補正を行わない場合、温度、湿度、気圧の変化が組み合わさると、位置決め測定値に通常 20ppm ~ 30ppm の誤差が発生します(テスト条件が安定している場合でも)。これらの偏差は、環境補正装置(XC-80)を使用して、様々な条件下でも XL-80 の測定精度を維持することで低減することができます。右の図は、補正を行っていない干渉計システムの誤差の例と、誤差の原因を示しています。

 XC-80 による補正の影響

XC-80 は、気温、気圧、湿度を計測してから、空気の屈折率(ひいてはレーザーの波長)を算出します。その後、レーザーの読み出しを自動調整して、レーザーの波長変化を補正できるようにします。自動システムを使うメリットは、ユーザーが介在する必要がないことと、頻繁に補正の更新が行われることです。

注:レニショーのレーザーシステムを使用した角度測定と真直度測定に、環境補正は必要ありません。これはごく僅かなビームパスの差からこれらの測定値を計算するためで、その場合には環境要因の影響が及びません。割り出し角度、平面度、直角度測定にもこれらの測定方法が使用されるため、環境補正は必要ありません。

遠隔式干渉計

一部のシステムは、レーザーヘッド内に干渉計とビームスプリッターを配置しています。レザーヘッドの熱膨張により測定経路長が変化するため、高精度の測定を行う前に長いウォームアップ時間が必要になります。レニショーでは、この問題を避けるためにビームスプリッターを使用しています。

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