激光反射体的制作方法

专利名称：激光反射体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将来自照射部件的激光朝向相同的照射部件反射的激光反射体， 特别是涉及一种激光干涉测长仪所采用的激光反射体的改良。
背景技术：
以往，公知有一种利用能够高分辨率、非接触地测量被测量物的尺寸的迈克耳逊干涉仪的激光干涉测长仪(例如参照日本特开平2-115701号公报)。如图11所示，上述文献所述的激光干涉测长仪具有激光光源15、干涉仪主体2和载置被测量物的移动台(未图示)，利用分束器21将来自激光光源15的激光分割成参照光和测量光，之后利用安装于移动台的移动镜(激光反射体)16反射测量光，并再次利用分束器21将该反射光与来自固定镜(固定平面反射体)22的参照光合成，利用检测器23检测产生的干涉条纹。若使移动台沿着测量光的光轴方向移动，则在移动台每移动激光波长的一半的量(λ/2)时，测量光和参照光的光程差为λ，利用检测器检测以λ/2为周期的正弦的光强度变化。S卩，由于干涉条纹与移动台的移动量相应地运动，因此，通过统计干涉条纹的变化，能够得到移动台的移动量。只要使移动台与被测量物的长度尺寸相应地移动，就能够以纳米级读取被测量物的长度尺寸。在利用激光干涉测长仪测量长度的情况下，为了使由移动镜16反射的测量光准确地返回到分束器21，以往移动镜16不采用平面反射体，而采用了回射体。作为回射体，例如存在直角三面镜、三面直角棱镜(corner cube prism)。移动镜16的姿态有时随着安装于移动台的移动镜16的移动量、即被测量物的测长距离变长而发生变化。其原因在于，移动台发生纵摇(pitching)、偏摇(yawing)、横摇 (rolling) 0只要采用回射体作为移动镜16，即使移动台的姿态改变，测量光的反射方向也不变，能够使反射光始终沿与入射光平行的方向返回。如图12所示，被用作回射体的直角三面镜、三面直角棱镜由正交的3个平面A C 构成，且具有3个棱边(交线)D F和被称作拐点G的3个平面的交点。从直角三面镜、 三面直角棱镜的加工方面和使用方面考虑，棱边D F和拐点(corner point)G如图所示那样以有限的尺寸被削掉。其目的在于，使直角三面镜、三面直角棱镜的加工变容易，而且， 能够安全地使用。但是，激光的反射光被移动镜16的3个棱边D F和其虚像一分为六地返回到干涉仪主体2，会将反射光的截面分割成6份。另外，入射的激光由于削掉的棱边D F和拐点G而发生漫射，因此，相对于入射光而言，反射光的强度始终以10% 20%的比例衰减。 在将以往的直角三面镜、三面直角棱镜用于激光干涉测长仪的移动镜(激光反射体)16的情况下，会伴随有以上的问题。上述问题不限于激光干涉测长仪，也在使用激光的精密测量装置、精密加工装置中、在使来自设置于装置的照射部件的激光回射的激光反射体是共存的问题。

发明内容
本发明是鉴于上述以往技术而做成的，其应解决的课题在于，第一，提供一种即使激光反射体的姿态相对于激光的照射部件发生变化，也能够使反射光始终沿与入射光平行的方向返回的激光反射体。第二，提供一种不会产生像将直角三面镜、三面直角棱镜用作激光反射体的情况那样的将反射光的截面分割成6份、而且能够降低反射光的强度衰减的激光反射体。为了解决上述课题，本发明的激光反射体，其特征在于，包括分别设置在来自照射部件的激光的光轴(P轴)上的透镜和球体、覆盖上述球体的表面且用于反射激光的包覆体、用于保持上述透镜和上述球体的位置关系的支承构件，来自上述照射部件的激光经上述透镜和上述球体汇聚于1点并被上述包覆体反射，从而与上述光轴(P轴)平行地朝向上述照射部件反射。上述透镜的中心及焦点配置在上述光轴(P轴)上。该激光反射体被配置成上述球体的中心处于将上述透镜的中心和该透镜的两个焦点中的远离上述照射部件的一个焦点(F1)连结的连线上，且上述透镜的焦点(F1)处于该球体之外。上述包覆体覆盖上述球体的靠近上述透镜的焦点(F1)的半球面上的区域中的至少包含该半球面和上述光轴(P轴)的交点Oi1)的区域。上述透镜的中心和上述球体的中心之间的距离(S1)、上述球体的折射率(nl)这两者被设定为，被上述透镜朝向上述焦点(F1)汇聚的激光经上述球体折射，并经过该球体的内部汇聚于被上述包覆体覆盖的上述交点ου。汇聚于上述交点Oi1)的激光被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件，并且，改变上述支承构件的姿态，在连结上述透镜和上述球体的各中心的连线相对于上述光轴(P轴)倾斜的状态下，入射的激光经上述透镜和上述球体汇聚于上述球体的表面上的偏离上述交点ου的点并被上述包覆体反射，从而，成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件。另外，例如在将本发明的激光反射体用于激光干涉测长仪的情况下，照射部件相当于使测量光入射于激光反射体的干涉仪主体(分束器)。而且，激光反射体被安装在设置于激光干涉测长仪上的移动台上，且设置为能够在移动台的移动方向上移动自由。本发明的激光反射体，其特征在于，包括分别设置在来自照射部件的激光的光轴 (P轴)上的透镜和球体、覆盖上述球体的表面且用于反射激光的包覆体、用于保持上述透镜和上述球体的位置关系的支承构件，来自上述照射部件的激光经上述透镜汇聚于上述球体内部的1点并被上述包覆体反射，从而与上述光轴(P轴)平行地朝向上述照射部件反射。上述透镜的中心及焦点配置在上述光轴(P轴)上。上述球体的中心与上述透镜的两个焦点中的远离上述照射部件的一个焦点(F2) 重合。上述包覆体以上述球体的远离上述透镜的半球面和上述光轴(P轴)的交点(A2) 为中心地覆盖该半球面上的区域中的至少包含与上述激光照射上述球体的面积大致相同面积的区域。
经上述透镜汇聚于上述球体内部的上述焦点(F2)的激光在从上述焦点(F2)扩散至规定区域的状态下被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件。并且，改变上述支承构件的姿态，在连结上述透镜和上述球体的各中心的连线相对于上述光轴(P轴)倾斜的状态下，入射的激光经上述透镜和上述球体汇聚于偏离上述焦点(F2)的焦点面上的点( ’)，并在扩散至规定区域的状态下被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件。本发明的激光反射体，其特征在于，包括设置在来自照射部件的激光的光轴(P轴)上的球体、覆盖上述球体的表面且用于反射激光的包覆体、用于保持上述球体的支承构件，来自上述照射部件的激光经上述球体汇聚于1点并被上述包覆体反射，从而与上述光轴(P轴)平行地朝向上述照射部件反射。上述球体的中心配置在上述光轴(P轴)上。上述包覆体覆盖上述球体的远离上述照射部件的半球面上的区域中的至少包含该半球面和上述光轴(P轴)的交点0 )的区域。在此，上述球体的折射率(M)被设定为 n3 = 2，入射到上述球体的激光以折射率n3 = 2被折射，并经过该球体的内部而汇聚于被上述包覆体覆盖的上述交点αυ，被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(ρ轴)平行的反射光返回到上述照射部件。还优选在上述支承构件中形成有用于限制来自上述照射部件的激光的直径的圆形的窗。并且，上述支承构件也可以被设为能够安装在沿着与上述光轴 (ρ轴)大致平行的方向移动自由的移动台上，在该支承构件中，在与上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置相当的位置分别形成有安装用的孔，而且，设有用于分别显示上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置的显示部件。还优选上述包覆体具有银的反射膜和从外部覆盖该反射膜的保护膜。采用本发明的激光反射体的构造，只要维持连结透镜和球体的各中心的连线与入射激光的P轴平行的状态，入射光就始终汇聚于球体和P轴的交点Oi1)这一点。于是，在交点Oi1)被包覆体反射后的反射光经由相对于连结球体的中心和焦点(F1)的连线成线对称的光路而从透镜射出。因而，自激光反射体反射出的反射光与P轴平行。另一方面，在保持透镜和球体的支承构件的姿态发生变化，连结透镜和球体的各中心的连线与入射激光的P轴不平行而产生倾斜角Δ θ的情况下，入射光经透镜朝向轴外焦点(Fla)汇聚。在这种情况下，被球体折射后的入射光汇聚于球体表面上的偏离于交点 (Q1)的点0ila)。于是，在点Oila)被包覆体反射后的反射光经由与连结球体的中心和轴外焦点(Fla)的连线成线对称的光路而从透镜射出。因而，自激光反射体反射出的反射光与P轴平行。在以上的说明中，虽说反射光与P轴平行，但如果激光反射体的倾斜角Δ θ较大，则也会发生来自球体的反射光的一部分不返回到透镜而导致反射光的强度降低这样的情况。 因而，优选所使用的倾斜角△ θ的范围在不发生上述强度降低的范围内。另外，在用于激光干涉仪的情况下，只要能够检测出足够的S/N比的干涉信号即可，因此，若是微小的强度降低则可以忽略。这样，即使激光反射体的姿态相对于激光的照射部件发生变化，也能够使反射光始终沿与入射光的P轴平行的方向返回，即能够实现所谓的回射。另外，由于不存在直角三面镜、三面直角棱镜所具有的那样的棱边，因此，激光不会被3个棱边一分为六，从而不会将反射光的截面分割成6份。并且，由于不存在直角三面镜、三面直角棱镜所具有的那样的拐点，因此，能够降低由拐点所引起的反射光的强度的衰减。采用本发明的激光反射体的构造，由于使激光汇聚于球体内部的1点，因此，能够降低球体表面上的局部损伤等对测量的影响。另外，通过在支承构件中设置用于限制来自照射部件的激光的直径的圆形窗，在激光穿过圆形窗时，激光的光束直径受到限制，能够降低反射光的球面像差。并且，由于在支承构件中形成有安装用的孔，而且，设有用于分别显示球体中心、 聚光点、包覆体的位置的显示部件，因此，能够一边确认球体的位置、聚光点的位置，一边容易地将激光反射体安装于移动台上。另外，由银的反射膜及其保护膜构成包覆体，因此，几乎不会由反射导致光强度降低，能够防止来自外部的不小心的损伤等。另外，若替代透镜和球体的组合，而采用折射率n3 = 2的球体来构成激光反射体， 就不需要上述发明中的透镜。因而，激光反射体的零件件数较少就足够，而且，不需要球体和透镜之间的微妙的距离调整作业，能够单纯地进行组装。


图1是表示实施方式的激光干涉测长仪的概略结构图。图2是表示第1实施方式的激光反射体的剖视图。图3是表示上述激光反射体以倾斜角Δ θ γ倾斜的情况下入射光和反射光的关系的图，是说明入射光的上端部分的光路的图。图4是说明图3中入射光的中央部分的光路的图。图5是说明图3中入射光的下端部分的光路的图。图6是表示第2实施方式的激光反射体的剖视图。图7Α是用于说明上述激光反射体没有倾斜的状态的图，图7Β是用于说明上述激光反射体以倾斜角△ θγ倾斜的状态的图。图8是表示上述激光反射体倾斜的情况下入射光和反射光的关系的图。图9是表示第3实施方式的激光反射体的剖视图。图10是表示本发明的一个实施例的图。图11是以往的激光干涉测长仪的概略构造的说明图。图12是将以往的三面直角棱镜的拐点放大后的立体图。
具体实施例方式第1实施方式激光干涉测长仪的构造图1是表示本发明的第1实施方式的激光干涉测长仪的概略结构图。本实施方式的激光干涉测长仪1具有主体底座19、激光光源15、干涉仪主体2、用于载置被测量物W的移动台17、移动台17的驱动机构18、安装于移动台17上的激光反射体3。另外，干涉仪主体2起到本发明的照射部件的作用。激光光源15相对于干涉仪主体2独立地设置，该激光光源15向干涉仪主体2供给规定波长(λ)的激光。
干涉仪主体2固定在主体底座19上，与图11中说明的以往的干涉仪同样地具有分束器、固定镜、检测器等各种光学构件而构成用于测量长度的干涉仪。干涉仪主体2将被分束器分割后的测量光与图中的Z轴方向平行地朝向激光反射体3照射。将该测量光的光轴称作P轴。然后，利用检测器对由激光反射体3反射回来的测量光和被未图示的固定镜反射后的参照光合成而产生的干涉条纹的光强度进行检测。移动台17被设置成能够利用主体底座19上的驱动机构18在水平方向(图中的 Z轴方向)上移动自由。激光反射体3安装在移动台17的端部，随着移动台17的移动在Z轴方向上移动。 另外，激光反射体3将来自干涉仪主体2的测量光反射，使其返回到干涉仪主体。在激光干涉测长仪1测量被测量物W的Z轴方向长度尺寸的情况下，使移动台17 移动与其长度尺寸相对应的距离。这样，检测到的干涉条纹发生变化，由此，将干涉条纹的变化作为光强度的峰值的累积次数来统计。由此，能够测量移动台17的移动量、即移动台上的被测量物W的长度尺寸。在此，激光反射体3所要求的重要性能有将来自干涉仪主体2的测量光反射而使与测量光平行的反射光返回到干涉仪主体的回射性。例如，在移动台17在设置于驱动机构18上的导轨上连续移动的情况下，其移动距离越长，越会导致移动台17的姿态发生变化。如图1所示，该姿态的变化通常能够作为移动台的纵摇、偏摇、横摇来说明。在图1中，在将与水平的Z轴正交的另一个水平轴设为Y 轴，将X轴设为垂直的轴时，纵摇表示移动台17绕Y轴的摇动(纵摇)，以倾斜角θγ表示其偏转量。偏摇表示绕X轴的摇动，以倾斜角θ χ表示偏转量。横摇表示绕Z轴的摇动(横摇)，以倾斜角θ ζ表示偏转量。激光反射体的构造如图2所示，激光反射体3包括具有焦距的透镜5、由折射率η 1的材料制成的球体4、用于容纳透镜5和球体4的壳体7。在本发明中，球体4等光学构件的折射率是与空气(折射率=1)之比。在自球体4中心穿过透镜5中心的线的延长线上形成有导光用的窗(开口部)6， 来自壳体外部的激光8穿过窗6照射到透镜5上。而且，由于窗6形成为圆形，因此，在来自外部的激光8穿过时，光束的直径受到限制，而能够降低反射光的球面像差。在将连结透镜5和球体4的各中心的连线作为壳体7的容纳空间的中心线时，透镜5以两焦点在该中心线上的方式保持于壳体7内。另外，透镜5的两焦点位置也可以如图2所示那样在壳体 7的外侧。球体4的中心配置在将透镜5的中心以及与窗6侧相反的一侧的焦点F1连结的连线上。球体4的大小是没有把透镜5的焦点F1包含到内部那样程度的大小。透镜5和球体4的位置关系利用壳体7来保持。壳体7起到本发明的支承构件的作用。在球体4上形成有覆盖其表面且用于反射激光的包覆体12。包覆体12覆盖球体4的距透镜5的焦点F1较近(靠近透镜5的焦点F1)的半球面上的区域中的包含该半球面和容纳空间的中心线的交点A的区域。在此，在采用以任意的折射率制成的球体4的情况下，能够通过适当地设定透镜5 和球体4的中心间距S1来构成激光反射体3。即，只要设定中心间距S1，使利用透镜5汇聚于焦点F1的激光8a经球体4折射而汇聚在由包覆体12覆盖的交点仏即可。另一方面，在受到壳体7的大小等的制约而预先确定透镜5和球体4的中心间距 S1的情况下，只要与中心间距S1相应地设定球体4的折射率nl即可。在这种情况下，也能使照射在球体4上的激光8a能够汇聚于交点仏。穿过球体4的内部而汇聚于交点A的激光8b被覆盖该交点A的包覆体12反射。包覆体12由覆盖球体4的球面中的、以作为聚光点的交点Gj1为中心的规定区域的银的反射膜和用于保护该反射膜的保护膜构成。通过采用银的薄膜作为反射膜，基本上不会因在聚光点的反射而导致光强度降低。另外，能够通过对反射膜的外表面进行涂装而容易地形成保护膜。通过用保护膜覆盖反射膜，能够防止来自外部的不小心的损伤等。激光反射体的反射激光的光路下面，根据图2详细说明激光反射体3安装于移动台17 (参照图1)而反射来自干涉仪主体2的激光8的情况。激光反射体3以容纳空间的中心线与激光8的光轴(P轴)重合的方式安装于移动台17。如图2所示，只要维持来自干涉仪主体2的激光8的P轴和激光反射体3的中心线的平行状态，激光8就会穿过窗6而入射到透镜5，利用折射朝向焦点F1汇聚(参照图中的激光8a)。之后，激光8a在球体4的表面以折射率nl折射，穿过球体4的内部而汇聚于交点A (参照激光8b)。由于交点Gl1处于透镜5和球体4的中心线上，因此，被包覆体12反射后的反射光穿过激光8c、8d的光路而再次入射到透镜5。在此，激光8c、8d的光路相对于激光反射体3的中心线与激光8a、8b的光路线对称。然后，激光8d经透镜5变成与P轴平行的激光而返回到干涉仪主体2。接着，对由移动台17的姿态变化导致作为聚光点的交点％错位的情况进行说明。 作为具体例子，使用图3 图5详细说明图1所示的移动台17绕Y轴偏转的情况。在图 3 图5中，由于发生纵摇，而使激光反射体3相对于激光的P轴倾斜，激光反射体3的中心线和P轴以规定的角度Δ θγ交叉。图3表示激光的在图中的上端部分行进的激光8的光路。来自干涉仪主体2的激光8经透镜5折射之后，朝向轴外焦点Fla汇聚(参照图中的激光Se)。轴外焦点Fla是包含焦点的焦点面上的点。之后，激光8e在球体4的表面以折射率nl折射而成为激光8f，在球体4的内部穿过而汇聚于点G!la。点Glla是球面上的偏离于交点A的点，其被包覆体12覆盖。在点Glla被包覆体12反射的反射光经过激光8g、8h的光路再次入射到透镜5。在此，激光Sgjh相对于连结球体4的中心和轴外焦点Fla的连线与激光8e、8f线对称。激光他经透镜5成为与P轴平行的激光而返回到干涉仪主体2。图4、图5分别表示激光的在图中的中央部分和下端部分行进的激光8的光路。与图3同样，激光8经透镜5朝向轴外焦点Fla汇聚，在球体4的表面发生折射而汇聚于点(ila。 被包覆体12反射之后，经球体4的表面和透镜5折射，成为与P轴平行的激光而返回到干涉仪主体2。如上所述，在图3 图5中，对整个激光反射体3以倾斜角Δ θ γ倾斜时入射光的上端侧、中心线上、下端侧的各光线返回到透镜(物镜)5的哪个位置的差异进行了说明。在图3中表示从上端侧入射的光线的反射光从透镜5的最下侧返回，在图4中表示从中心线上入射的光线的反射光从光轴(P轴)的下侧返回，在图5中表示从下端侧入射的光线的反射光从P轴的上侧返回。激光反射体3以透镜5为中心地倾斜倾斜角Δ θ γ，从而透镜5倾斜，并且，球体4 的中心自P轴上偏离。例如在图3中，球体4相对于透镜5向下方移动。在这种情况下，聚光点位于比图2所示的交点兑靠上方的点Aa的位置，但由于倾斜(Δ θγ)较小，因此，与倾斜之前几乎位于相同的位置。因而，如图3所示，不会出现反射光自透镜5的中心较大地偏离而导致反射光强度减小这样的情况。即使倾斜角较大而使反射光的一部分超出透镜5、反射光强度减小，但在实用上，对于整个光束的回射光，只要在干涉仪主体2中检测出足够的 S/N比的干涉信号即可。因而，若是微小的强度减小则可以忽略。另外，在图3中对作为移动的聚光点的点Qla在球体4的表面上的情况进行了说明，但准确的说明如下。假如激光在理想的焦点位置(F1Ila)成为最小的聚光面积地汇聚， 则在激光反射体3倾斜的情况下，点Aa不在球体4的表面上。但是，严格上来说激光不是汇聚于一个焦点，而是具有规定的焦点深度。因此，即使激光反射体3倾斜，只要Δ θγ是球体4的表面不自焦点深度内偏离那样程度的微小的倾斜角，就可以说点Qla依然在球体4 的表面上。这样，由于激光反射体3被设计成使激光经透镜5和球体4汇聚于1点，因此，无论移动台的姿态是否变化，都能够以与入射光的P轴平行的反射光返回到干涉仪主体2。激光反射体3作为回射体刚好起到三维的猫眼反射镜(cat' s eye)的作用。发挥该功能的非常重要的参数是球体4和透镜5的距离Sp距离S1由球体4的折射率nl、透镜5的焦距&和所使用的激光的波长λ这3者的关系来决定。但是，实际上是对距离S1进行微调整以使返回来的反射光与P轴平行并最终决定距离S1的。另外，如图2所示，可以在壳体7上的穿过球体4的中心且与激光反射体3的中心线正交的面上预先加工用于将激光反射体3安装于移动台的螺纹孔9。另外，还可以在相同的面上实施用于表示球体4的中心位置的标记13。另外，同样地可以在壳体7上的相当于球体4的交点(聚光点) 的位置加工螺纹孔11和标记14。这些标记13、14相当于本发明的显示部件。并且，可以在激光反射体3的中心线上加工螺纹孔10。根据预先设置于壳体7上的螺纹孔9 11、标记13、14的位置，在激光干涉测长时，能够容易地知晓激光反射体3的准确的旋转中心(纵摇、偏摇等的偏转中心)的位置、反射点(聚光点仏)的位置。另外，包覆体12覆盖足够大的区域。足够大的区域是表示在如上所述那样由移动台17的偏转导致作为聚光点的交点％错位的情况下也能够反射激光那样程度的区域。采用本实施方式的构造，不会像直角三面镜、三面直角棱镜那样由于激光被3 条棱线一为六而导致将反射光的截面分割成6份、与入射光相比反射光的强度始终衰减 10% 20%。另外，能够容易地得到构成激光反射体3的零件。即，球体4基本上可以由任意的具有折射率nl的材料制成，作为光学玻璃制的通用品能够廉价地得到。另外，由于使激光汇聚在球体4的与入射侧相反的一侧的球面上的1点，因此，只要形成为至少该包含有聚光点的部分是无损伤的表面，就能够得到均勻的反射光。并且，即使球体4的球度未被高精度地精加工，利用透镜5和球体4的组合，也能够起到三维的猫眼反射镜的作用。第2实施方式图6是表示本发明的第2实施方式的激光反射体的剖视图。激光干涉测长仪101是与上述大致相同的构造，但激光反射体的构造不同。在此，使用对与上述不同的构件的附图标记加上100而得到的的附图标记进行说明。激光反射体103包括具有焦距f2的透镜 105、折射率n2的球体104、壳体107。设定透镜105和球体104的中心间距&或者透镜105 的焦距f2，以使焦距f2与中心间距& 一致。覆盖球体104的表面的一部分的包覆体12在球体104的距透镜105较远(远离透镜10 的半球面上的区域中，以该半球面和光轴(P 轴)的交点(A2)为中心地形成。包覆体12至少覆盖在激光反射体103不倾斜的状态下与激光照射球体104的面积大致相同的面积。当激光8穿过窗6照射到透镜105时，经透镜105汇聚于焦点F2 (参照激光8a)。 然后，由于球体104的中心和焦点F2 —致，因此，激光8a进入到球体104的内部时不发生折射而直线传播，成为激光8b而汇聚于聚光点％ (焦点F2)。穿过聚光点A后的激光8c扩散至规定的区域后被包覆体12反射。在此，激光8c扩散至规定的区域是表示激光8c扩散至与激光8a照射球体104的面积相同的面积。被包覆体12反射后的激光8c再次汇聚于球体104的中心，之后经过与激光8b、8a相同的光路再次入射到透镜105。然后，经透镜105 成为与入射光的光轴(P轴)平行的激光而返回到干涉仪主体2。为了实现本实施方式的反射光学系统，可以利用比上述球体4的折射率nl大的折射率n2的材料制作球体104或者使用比焦距短的焦距f2的透镜。即使由移动台17的姿态变化导致聚光点％的位置偏离球体104的中心位置，反射光也能成为与入射光的P轴平行的激光并返回到干涉仪主体2。激光反射体103刚好起到球面状的猫眼反射镜的作用。使用图7A、7B、图8说明由移动台17的姿态变化导致聚光点％错位的情况。图 8表示如图7A、7B所示那样不使激光反射体103倾斜、而是在入射的激光的光轴以倾斜角 Δ θ “顷斜的状态下激光入射到透镜105的情况。在将被透镜105汇聚的入射光设为光线 KU Κ2时，光线ΚΙ、Κ2在球体104内部的状况如下。在图8中，球体104的包覆体12形成在图中的由点F 10 点F20所示的球体表面的区域中。首先，由于入射激光的光轴倾斜，光线Kl汇聚于偏离原本的球体中心A (焦点F2) 的焦点面上的聚光点(V (F/)。然后，穿过聚光点(V后的光线Kl在球体表面上并不是在原本的点Fla、而是在点Flb发生反射，成为光线ΚΓ而返回到透镜105。光线K2汇聚于聚光点(F/ )，并不是在原本的点F2a、而是在点F2b发生反射，成为光线K2’并返回。在不倾斜时，在球体104的中心结成焦点，在图中点Fla 点Fh所示的球体的内部表面区域中发生反射。但是，在被透镜105汇聚的光线整体倾斜地入射到球体104的情况下，由Kl K2所示的大致圆锥状的光线在图中的点Flb 点F2b所示的球体的内部表面发生反射，能够得到由光线ΚΓ 光线K2’所示的有效的反射光。但是，如图8所示，入射到点Fh 点 F2b的区域中的光线即使被包覆体12反射，该反射光也基本上都自球体104发生漫射，不会返回到透镜105。另外，在点Fla 点Flb的内部表面区域中根本不入射光线。这样，在本实施方式的情况下，由于入射光的一部分不反射、或者反射光不返回到透镜105，因此，反射光强度发生衰减。但是，与上述实施方式相同，只要倾斜角Δ θγ微小， 该影响就很小。改变一下想法，相对于以往的三面直角棱镜只能在入射光强度约以10% 20%或者比10% 20%更大的比例衰减的状态下反射出反射光的情况，本实施方式能够仅在移动台17产生倾斜时，仅限于与其倾斜成比例的衰减强度。
发挥该功能的重要的参数是球体104和透镜105的中心间距S2 (焦距f2)。中心间距&由透镜的焦距&和所使用的激光的波长λ这两者的关系来决定。但是，实际上是在将距离&微调整为返回来的反射光与P轴平行之后，最终决定距离&。采用本实施方式，由于激光汇聚于球体104内部的1点(聚光点Q2A2’)，因此，激光不会像上述实施方式的交点Q1、点Qla那样汇聚于球体4表面上的1点。因而，不必像上述实施方式的球体4那样在意球体104表面的局部损伤。另外，对于上述球体4，需要针对球体表面的每1点评价球体的球度的形状偏差且每1点的形状偏差都要在容许范围内。但是，在本实施方式中，曾经汇聚于球体104的中心的激光8b成为扩散至规定区域的激光8c之后被包覆体12反射，因此，能够使用球度的形状偏差的平均值来进行评价。即，由于将球度的形状偏差在球体表面的规定区域中平均，评价该平均值，因此，不要求像上述实施方式的球体4那样高的加工精度，能够以低成本制作球体104。第3实施方式图9是表示本发明的第3实施方式的激光反射体的剖视图。激光干涉测长仪201 是与上述大致相同的构造，但激光反射体的构造不同。在此，使用对与上述不同的构件的附图标记加上200而得到的附图标记进行说明。激光反射体203包括折射率n3的球体204、保持该球体204的壳体207。在壳体 207上与上述同样地形成有圆形的窗6。另外，球体204的表面一部分与上述同样地被包覆体12覆盖。球体204由折射率π3大致为2 (n3 ^ 2)的特殊材料制作。因而，在激光8入射到球体204时，由折射率的关系汇聚于球体表面的与入射侧相反的一侧的1点、即点仏。点A 是激光的光轴(P轴)通入射侧相反的一侧的球体表面的交点。激光8a被包覆体12反射之后，成为激光8b而再次穿过球体204的内部，自球体204射出时，成为与P轴平行的激光并返回到干涉仪主体2。即使由移动台17(参照图1)的姿态变化导致聚光点( 发生些许错位，只要球体 204具有折射率n3 ^ 2，反射光就会成为与入射光平行的激光并返回到干涉仪主体2。激光反射体203刚好起到球面状的猫眼反射镜的作用。采用本实施方式，不需要上述实施方式那样的透镜5、105。因而，激光反射体203 的零件件数较少就足够，而且，不需要球体4、104与透镜5、105之间的微妙的距离调整操作，能够简单地进行组装。并且，能够使壳体207的长度短于上述实施方式，因此，也能够谋求激光反射体203的小型化。在上述各实施方式中，对激光反射体绕Y轴以倾斜角θ γ纵摇的情况进行了说明， 但无论在激光反射体绕Z轴以倾斜角θ ζ横摇的情况下，还是在激光反射体绕X轴以倾斜角θχ偏摇的情况下，都能够得到相同的效果。另外，在上述各实施方式中，对将本发明的激光反射体应用于激光干涉测长仪的情况进行了说明，但不限定于此，在精密测量装置、精密加工装置中利用激光进行工件或者工具的定位的情况下，也能够有效地采用本发明的激光反射体。实施例在使用单轴向的激光干涉测长系统测量三维测量仪、机床的工作台移动量的情况下，根据图10说明采用本发明的激光反射体的例子。具体的激光反射体的规格表示如下。球体4的直径20_，激光的直径5mm，激光的波长0.633 μ m，与数值孔径相当(N.A.)的值:N. A. = nXsin θ = 0. 125(η是空气的折射率η = 1)。在三维测量仪、机床中，即使移动的工作台发生纵摇、偏摇等姿态变化，其倾斜角 (Δ θγ)通常也在10秒以下。在工作台相对于干涉仪主体2的移动范围是IOm的情况下 (大多数情况下，移动范围在5m以内)，相对于倾斜角度10秒(=(1/360)度)，球体4相对于光轴(P轴)的错位是0.5mm。在此，以测长范围为IOm来计算时，作为聚光位置的点 Aa沿着P轴错位12.5 μ m。另一方面，利用下式(1)计算与数值孔径(N. A.)相对应的焦点深度d，d =约40 μ m，大于交点Gj1错位的量。因而，能够说明即使测长范围是10m，倾斜时的聚光位置、即点Qla依然在球体表面上。另外，在图10中省略了球体表面上的包覆体12 的图示。d = λ [η2-(N. A.)2]172/(N. Α.)2 ... (1)另外，作为比较例，对采用平面镜或者三面直角棱镜作为激光干涉测长仪用的通常的迈克耳逊干涉仪的参照侧反射体的情况下的反射光强度进行说明。首先，描画平面镜的干涉条纹信号的利萨如波形，将其直径评价为100%。其次，替代平面镜，而设置出于安全的目的而以0. 2mm宽度对正交的3条棱进行倒角而成的具有圆形的入射面且直径为12. 7mm 的三面直角棱镜，描画同样的利萨如波形，评价其直径。在该正交的三个面上均实施银的涂覆。评价的结果，在替换为三面直角棱镜的情况下，利萨如波形的直径缩减为65% 70%。在此，在产生了干涉现象时，干涉条纹强度I以下式( 表示。a是移动侧的光的振幅，b是参照侧的光的振幅。I = a2+b2+2ab · cos ω t ...(2)如上式所示，干涉条纹强度I和时间t 一同引起4ab所示的大小的强度变化。该强度变化是利萨如波形的振幅Gab)。在比较例中，若将Id1设为使用平面镜时参照侧的光的振幅，b2设为使用三面直角棱镜时参照侧的光的振幅，则^b2Aab1 = (65 70) % /100%。 各参照侧的光的强度比如下式(3)所示。OVb1)2 = 0. 42 0. 49 ... (3)即，通过采用三面直角棱镜，引起干涉现象之前的参照侧的光强度下降到一半以下。接着，说明本发明的激光反射体的效果推断值。在将比较例的三面直角棱镜替代为本发明的激光反射体的情况下，上述利萨如波形的振幅Gab)处于三面直角棱镜的情况的中间附近。即，若将h设为使用平面镜时参照侧的光的振幅，ID2设为使用本发明的激光反射体时参照侧的光的振幅，则至少能够推断为^b2Aab1 = (80 85) % /100%。其理由在于，在本发明的激光反射体的情况下，虽然由物镜的表面、球体的表面反射、球体内部的吸收引起衰减，但是不会像使用三面直角棱镜的情况那样激光被3条棱线隔开、或者6分割。 由^b2Aab1 = (80 85) % /100%，使用本发明的激光反射体时参照侧的光与使用平面镜时参照侧的光的强度比如下式(4)所示。(1^/1^)2 = 0.64-0.72 — (4)从以上内容能够预想到，采用本发明的激光反射体，只限于 36%的反射光强度的衰减。即，与三面直角棱镜的51 % 58 %这样的50 %以上的强度衰减相比，可以说具有将衰减抑制到40%以下的效果。本申请主张2010年3月15日申请的日本国特许申请2010-57455号的优先权，并在此引用其内容。
权利要求
1.一种激光反射体，其包括分别设置在来自照射部件的激光的光轴(P轴)上的透镜和球体、覆盖上述球体的表面且用于反射激光的包覆体、用于保持上述透镜和上述球体的位置关系的支承构件，来自上述照射部件的激光经上述透镜和上述球体汇聚于1点并被上述包覆体反射，从而与上述光轴(P轴)平行地朝向上述照射部件反射，其特征在于，上述透镜的中心及焦点配置在上述光轴(P轴)上；该激光反射体被配置成上述球体的中心处于将上述透镜的中心和该透镜的两个焦点中的远离上述照射部件的一个焦点(F1)连结的连线上，且上述透镜的焦点(F1)在该球体之外；上述包覆体覆盖上述球体的靠近上述透镜的焦点(F1)的半球面上的区域中的至少包含该半球面和上述光轴(P轴)的交点Oi1)的区域；上述透镜的中心和上述球体的中心之间的距离(S)、上述球体的折射率(nl)这两者被设定为，使利用上述透镜朝向上述焦点(F1)汇聚的激光经上述球体折射，并穿过该球体的内部汇聚于被上述包覆体覆盖的上述交点Oi1)；汇聚于上述交点Oil)的激光被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件；并且，改变上述支承构件的姿态，在连结上述透镜的中心和上述球体的中心的连线相对于上述光轴(P轴)倾斜的状态下，入射的激光经上述透镜和上述球体汇聚于上述球体的表面上的偏离上述交点Oi1)的点并被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件。
2.根据权利要求1所述的激光反射体，其特征在于，在上述支承构件中形成有用于限制来自上述照射部件的激光的直径的圆形的窗。
3.根据权利要求1所述的激光反射体，其特征在于，上述支承构件被设为能够安装在沿着与上述光轴(P轴)大致平行的方向移动自由的移动台上，在该支承构件中，在与上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置相当的位置分别形成有安装用的孔，而且，设有用于分别显示上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置的显示部件。
4.根据权利要求1所述的激光反射体，其特征在于，上述包覆体具有银的反射膜和从外部覆盖该反射膜的保护膜。
5.一种激光反射体，其包括分别设置在来自照射部件的激光的光轴(P轴)上的透镜和球体、覆盖上述球体的表面且用于反射激光的包覆体、用于保持上述透镜和上述球体的位置关系的支承构件，来自上述照射部件的激光经上述透镜汇聚于上述球体内部的1点并被上述包覆体反射，从而与上述光轴(P轴)平行地朝向上述照射部件反射，其特征在于，上述透镜的中心及焦点配置在上述光轴(P轴)上；上述球体的中心与上述透镜的两个焦点中的远离上述照射部件的一个焦点(rg重合；上述包覆体以上述球体的远离上述透镜的半球面和上述光轴(P轴)的交点(A2)为中心地覆盖该半球面上的区域中的至少包含与上述激光照射上述球体的面积大致相同面积的区域；经上述透镜汇聚于上述球体内部的上述焦点(F2)的激光在从上述焦点(F2)扩散至规定区域的状态下被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件；并且，改变上述支承构件的姿态，在连结上述透镜的中心和上述球体的中心的连线相对于上述光轴(P轴)倾斜的状态下，入射的激光经上述透镜和上述球体汇聚于焦点面上的偏离上述焦点(F2)的点( ’)，并在扩散至规定区域的状态下被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件。
6.根据权利要求5所述的激光反射体，其特征在于，在上述支承构件中形成有用于限制来自上述照射部件的激光的直径的圆形的窗。
7.根据权利要求5所述的激光反射体，其特征在于，上述支承构件被设为能够安装在沿着与上述光轴(P轴)大致平行的方向移动自由的移动台上，在该支承构件中，在与上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置相当的位置分别形成有安装用的孔，而且，设有用于分别显示上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置的显示部件。
8.根据权利要求5所述的激光反射体，其特征在于，上述包覆体具有银的反射膜和从外部覆盖该反射膜的保护膜。
9.一种激光反射体，其包括设置在来自照射部件的激光的光轴(P轴)上的球体、覆盖上述球体的表面且用于反射激光的包覆体、用于保持上述球体的支承构件，来自上述照射部件的激光经上述球体汇聚于1点并被上述包覆体反射，从而与上述光轴(P轴)平行地朝向上述照射部件反射；其特征在于，上述球体的中心配置在上述光轴(P轴)上；上述包覆体覆盖上述球体的远离上述照射部件的半球面上的区域中的至少包含该半球面和上述光轴(P轴)的交点( )的区域；上述球体的折射率(M)被设定为Π3 = 2 ；入射到上述球体的激光以折射率n3 = 2被折射，并穿过该球体的内部而汇聚于被上述包覆体覆盖的上述交点0^)，被上述包覆体反射，从而成为与上述光轴(P轴)平行的反射光返回到上述照射部件。
10.根据权利要求9所述的激光反射体，其特征在于，在上述支承构件中形成有用于限制来自上述照射部件的激光的直径的圆形的窗。
11.根据权利要求9所述的激光反射体，其特征在于，上述支承构件被设为能够安装在沿着与上述光轴(P轴)大致平行的方向移动自由的移动台上，在该支承构件中，在与上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置相当的位置分别形成有安装用的孔，而且，设有用于分别显示上述球体的中心、使上述激光汇聚的点、上述包覆体的位置的显示部件。
12.根据权利要求9所述的激光反射体，其特征在于，上述包覆体具有银的反射膜和从外部覆盖该反射膜的保护膜。
全文摘要
本发明提供一种激光反射体。该激光反射体能够使反射光始终高效地沿与入射光平行的方向返回，其包括分别设置在激光的光轴(P轴)上的透镜(5)和球体(4)、覆盖球体的表面且反射激光的包覆体(12)、容纳它们的壳体(7)。激光经透镜和球体汇聚于1点，并被包覆体反射。透镜的中心和焦点(F1)配置在P轴上，球体的中心配置在连结透镜的中心和焦点(F1)的连线上。包覆体(12)覆盖靠近焦点(F1)的半球面上的区域中的至少包含半球面和P轴的交点(Q1)的区域。透镜和球体的中心间距(S1)、球体(4)的折射率(n1)设定为，经透镜(5)朝焦点(F1)汇聚的激光经球体折射，汇聚于被包覆体(12)覆盖的交点(Q1)。
文档编号G02B7/02GK102193179SQ20111006346
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者谷村吉久 申请人:株式会社三丰