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公開番号2022138127
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-09-22
出願番号2022027057
出願日2022-02-24
発明の名称デュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計
出願人ハルビン インスティテュート オブ テクノロジー,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
代理人特許業務法人創成国際特許事務所
主分類G01B 9/02 20220101AFI20220914BHJP(測定;試験)
要約【課題】デュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計を提供する。
【解決手段】本発明は、レーザー応用の技術分野に属し、単一周波数のレーザービームをマイケルソン干渉構造に入力し、基準平面反射鏡の角度を設定することによって測定ビームと基準ビームを非同軸干渉させて単一ビーム空間干渉縞画像を形成し、デュアルラインスキャンカメラを選択して単一ビーム空間干渉縞画像を効果的に受信し、最終的に、3自由度デカップリング方法により、各フレームの単一ビーム空間干渉縞画像に対して3自由度信号の線形デカップリングを実現する。本発明のレーザー干渉計は、角度デカップリング非線形を持たず、周期的非線形誤差を顕著に低減させ、他の従来の3自由度レーザー干渉計に比べて、構造がシンプルで、角度測定範囲が広く、集積しやすいという利点があり、3自由度レーザー干渉計の変位及び角度測定に対する高精度のニーズを満たす。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
単一周波数の第1の入力ビーム、マイケルソン干渉構造、デュアルリニアアレイ検出及び画像デカップリングモジュールを含むデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計であって、
前記マイケルソン干渉構造は、第1の1/4波長板、第2の1/4波長板、第1の分光面、固定された基準平面反射鏡及び移動可能な目標平面反射鏡を含み、前記第1の分光面に偏光分光膜がめっきされ、
前記第1の入力ビームは、直線偏光レーザーであり、マイケルソン干渉構造に入射した後に第1の測定ビーム及び第1の基準ビームに分割され、第1の測定ビームは、目標平面反射鏡によって少なくとも1回反射され、第1の基準ビームは、基準平面反射鏡によって少なくとも1回反射され、第1の測定ビーム及び第1の基準ビームは、出力走行経路において少なくとも一部が重なり合って第1の単一ビーム空間干渉縞画像を形成することを特徴とするデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計。
続きを表示(約 1,300 文字)【請求項2】
固定された基準平面反射鏡の反射面は、第1の基準ビームに垂直ではないため、第1の測定ビーム及び第1の基準ビームは出力走行経路において非同軸に伝搬することを特徴とする請求項1に記載のデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計。
【請求項3】
デュアルリニアアレイ検出及び画像デカップリングモジュールは、第1のラインスキャンカメラ及び第2のラインスキャンカメラを含み、第1のラインスキャンカメラの検出面の中心は、前記第1の単一ビーム空間干渉縞画像の中心に位置し、第2のラインスキャンカメラの検出面の中心は、前記第1の単一ビーム空間干渉縞画像の中心に位置しないことを特徴とする請求項1に記載のデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計。
【請求項4】
前記デュアルリニアアレイ検出及び画像デカップリングモジュールはさらに、
3自由度デカップリング方法により、各フレームの第1の単一ビーム空間干渉縞画像に対して3自由度信号の線形デカップリングを行い、目標平面反射鏡の固定された基準平面反射鏡に対するヨー角、ピッチ角及び変位情報を取得するために用いられるホストコンピュータを含むことを特徴とする請求項3に記載のデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計。
【請求項5】
前記3自由度デカップリング方法は、
デュアルラインスキャンカメラによって検出された空間干渉縞画像において、第1のラインスキャンカメラは、空間干渉縞画像の中心を通過するラインを第1の水平独立成分として選択し、第2のラインスキャンカメラは、空間干渉縞画像の中心を通過しないラインを第2の水平独立成分として選択する第1ステップと、
目標平面反射鏡の基準平面反射鏡に対する変位は、第1の水平独立成分の位相に正比例し、第1の水平独立成分に対して離散フーリエ変換を行った後、信号位相スペクトルの対応する周波数成分でその位相値を取得し、位相値に基づいて目標平面反射鏡の基準平面反射鏡に対する変位を計算する第2ステップと、
目標平面反射鏡の基準平面反射鏡に対するヨー角は、第1の水平独立成分の空間周波数に正比例し、第1の水平独立成分に対して離散フーリエ変換を行った後、信号振幅スペクトルでその空間周波数を取得し、空間周波数に基づいて目標平面反射鏡の基準平面反射鏡に対するヨー角を計算する第3ステップと、
目標平面反射鏡の基準平面反射鏡に対するピッチ角は、第1の水平独立成分と第2の水平独立成分の位相差に正比例し、第1の水平独立成分と第2の水平独立成分に対してそれぞれ離散フーリエ変換を行った後、信号位相スペクトルの対応する周波数成分でその位相値をそれぞれ取得し、かつ第1の水平独立成分と第2の水平独立成分の位相差を取得し、位相値に基づいて目標平面反射鏡の基準平面反射鏡に対するピッチ角を計算する第4ステップと、を含む請求項4に記載のデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本出願は、2021年03月09日付けで中国特許庁に出願された、出願番号202110252667.0、発明の名称が「デュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計」である中国特許出願の優先権を主張し、その内容全体は参照により本出願に組み込まれている。
続きを表示(約 2,900 文字)【0002】
本発明は、レーザー応用の技術分野に属し、主にデュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計に関する。
【背景技術】
【0003】
レーザー干渉測定技術は、精密工学の基本的なコア技術であり、精密計測、ハイエンド機器製造及び大型科学機器等の分野で非常に重要な役割を果たしている。近年の上記分野の急速な発展に伴い、変位測定の精度をナノメートルレベルからサブナノメートルレベル、さらにはピコメートルレベルまで高める必要があるだけでなく、変位測定の形式を単軸変位測定から多軸/角変位3自由度複合測定に変換する必要もある。
【0004】
現在、多軸レーザー干渉測定の分野で最も広く使用されているのは、平行ビーム測定に基づくレーザー干渉計である。平行ビーム測定に基づくレーザー干渉計は、原理に従ってホモダイン/ヘテロダインレーザー干渉測定に分けることができ、通常は3軸(又は多軸)の互いに平行な測定ビームで測定対象目標の様々な部分を同時に測定し、各軸の測定ビームは、単軸変位測定を実現し、測定スポットは測定対象目標面に「品」字型又は「L」字型等のように配列されている。各測定軸から得られた変位結果を用いて、変位、ヨー角及びピッチ角を含む測定対象目標の3自由度情報を計算することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
中国特許出願公開第112857209号明細書
【0006】
レーザー干渉計の多くの誤差源の中で、周期的非線形誤差は、レーザー干渉計がナノ精度を突破することを制限する主なボトルネックである。Heydemann楕円フィッティング補正方法は、ホモダインレーザー干渉計の周期的非線形誤差をサブナノメートルレベルに抑制することができ(Collett M.J.,Tee G.J.Ellipse Fitting for Interferometry.Part 1:Static Methods[J].J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis,2014,31(12):2573-2583)、多軸レーザー干渉測定の深いサブナノメートル/ピコメートルレベルの精度要件にはまだギャップがある。光学エイリアシングを除去した非共通光路ヘテロダイン干渉構造は、ヘテロダインレーザー干渉計の周期的非線形誤差を深いサブナノメートルレベルに抑制することができ、ここで、ハルビン工業大学の胡鵬程らによって提案された非共通光路ヘテロダイン干渉構造(FuH.,Wu G.,Hu P.,et al.Highly Thermal-Stable Heterodyne Interferometer withMinimized Periodic Nonlinearity[J].Appl Opt,2018,57(6):1463-1467)及びドイツPTBのWeichertらによって提案された非共通光路ヘテロダイン干渉構造(Weichert C., Kochert P., Koning R.,etal.A Heterodyne Interferometer with Periodic Nonlinearities Smaller Than±10pm[J].Measurement Science and Technology,2012,23(9):094005)は、周期的非線形誤差を10pm程度に抑制し、しかし、非共通光路ヘテロダイン干渉構造は、部品構成が複雑であり、その原理により、入力ビームの数は従来の共通光路ヘテロダイン干渉構造の2倍になり、多軸変位測定及び角度測定では、各測定軸の周期的非線形誤差を結合して重畳するため、現在は単軸測定のみに適用されている。
【0007】
それ以外に、平行ビームに基づくレーザー干渉計は、一般的には従来のプリズム群を用いて段階的に分光し、その設計及び加工が非常に難しく、その分光過程における平行度誤差が入射ビーム数の増加に伴って累積される。キーサイト(旧アジレント)、ザイゴ等の少数のレーザー干渉計の大手企業は、プリズム群を用いて段階的に分光することにより達成された高精度の平行分光技術を把握し、これに基づいて単体式多軸干渉鏡群を開発した。キーサイト社の単体三軸干渉鏡群の光軸平行度は25μradに達するが、単体五軸干渉鏡群の光軸平行度は既に100μradまで低下した。また、測定距離が大きい場合、空気の乱流により、各軸の測定ビームに様々な程度の外乱が発生し、変位及び角度の測定安定性に影響を与える。
【0008】
精密な多軸レーザー干渉測定を実現できる別の代表的な技術は、単一ビーム測定に基づく差分波面レーザー干渉計であり、差分波面干渉計において干渉を形成する2つのビームの波面に角度があり、その基準干渉信号と測定干渉信号の4象限検出器の各象限における位相差は異なり、4つの象限の交流信号の合計は変位を計算するために用いることができ、左側の2つの象限と右側の2つの象限の信号の差を用いてヨー角を計算でき、上側の2つの象限と下側の2つの象限の信号の差を用いてピッチ角を計算できる。代表的なものは、米国学者Gillmerらによって提案されたコンパクトな差分波面干渉計であり(Yu X.,Gillmer S.R.,Ellis J.D.Beam Geometry,Alignment,and Wavefront Aberration Effects on Interferometric DifferentialWavefront Sensing[J].Measurement Science and Technology,2015,26(12):125203)、しかし、該差分波前干渉計は、角度デカップリング非線形性の原理誤差があり、かつ角度測定精度及び角度測定範囲を直接制限するため、その角度測定範囲は従来のヘテロダインレーザー干渉計より小さく、通常は0.1mradレベル以下である。
【0009】
要約すると、従来の平行ビーム測定に基づくレーザー干渉計には、複雑な構造、非常に困難な加工及び多軸周期的非線形結合の問題があり、単一ビーム測定に基づく差分波面干渉計には、角度結合の非線形及び小さな角度測定範囲の問題があり、レーザー干渉計の3自由度測定能力の向上を大幅に制限している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、3自由度レーザー干渉計の測定精度と角度測定範囲を総合的に向上させることができる、デュアルラインスキャンカメラに基づく単一ビーム3自由度レーザー干渉計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
(【0011】以降は省略されています)

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