JP4198929B2

JP4198929B2 - レーザ測長器及びレーザ測長方法

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Publication number: JP4198929B2
Application number: JP2002087907A
Authority: JP
Inventors: 弘昭北原
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Filing date: 2002-03-27
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定すべき対象物を測長するレーザ測長器及びその測長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光源から少なくとも２つの可干渉性の光ビ−ムに分割して、それぞれ異なる光路を通過させてから再結合後、干渉させる干渉計は、測長技術に応用されている。
光波の干渉を利用した長さの測定には、測定すべき対象物の両端における干渉縞を観測して測長する合致法と、移動可能な測定反射鏡を用いて干渉計を構成し、測定すべき長さの始点から終点まで測定反射鏡を動かしてその間に生ずる干渉縞の明暗を計数する計数法とがある。計数法の１つにレーザ光源を用いるレーザ測長器があり、これは精密な長さ測定に広く用いられている。
【０００３】
図１は最も基本的な２波長式移動干渉計のレーザ測長器（リニア干渉計）の構成を表す概略模式図を示す。レーザ光源１のＨｅ−Ｎｅレーザは、放電部に磁場をかけてゼーマン効果によって周波数が僅かに異なる２周波数ｆ１，ｆ２の成分の光を送出する。ｆ１，ｆ２の光ビームは光源から出力されて干渉計に入る。この光ビーム成分は互いに直交する偏光面を有し、互いに回転方向が逆の２つの円偏光である。光ビームの２周波数成分ｆ１，ｆ２はいずれも安定化されている。この光ビーム成分は、レーザ光源１内部の光検出器で光電変換され、そのｆ１−ｆ２のビート信号が電気的基準信号として測長回路１１へ出力されている。
【０００４】
レーザ光源１を出射した光ビームｆ１，ｆ２は干渉計ＩＭを構成する偏光ビームスプリッタ３で周波数成分毎に２つに分離される。
一方の光ｆ１は移動する対象物に取り付けた例えばコーナーキューブなどの被測定反射面６へ射出されそこで反射され測定光となる。他方の光ｆ２は固定のコーナーキューブなど基準反射鏡８で反射されて参照光となる。測定光及び参照光は再び偏光ビームスプリッタ３で合成され、干渉する。偏光ビームスプリッタ３と被測定反射面６との間に相対的な移動があると、ドップラ効果によって測定光ｆ１の周波数が△ｆだけ変化し、すなわちドップラ成分が加わり、ｆ１±Δｆとなる。
【０００５】
偏光ビームスプリッタ３で互いに干渉した光は光検出器１０で光電変換されて、偏倚したビート信号の測長信号ｆ１−ｆ２±Δｆがヘテロダイン検波により光周波数の差として得られる。測長回路１１では、この測長信号ｆ１−ｆ２±Δｆとレーザ光源の基準信号ｆ１−ｆ２との差分である±Δｆのみが求められ、位置情報に変換される。すなわち、測長回路１１の周波数カウンタにより測長信号と基準信号の計数差を求め、この差に光ビームの波長の１／２を乗じた値がビームスプリッタに対する被測定反射面６の移動距離となる。
【０００６】
また、スペースの制限により小さな反射面を測定する場合や反射面が円筒面、球面な場合に、シングルビーム干渉計を使用することがある。
シングルビーム干渉計を用いたレーザ測長器の高分解能化する技術に、測長光を偏光ビームスプリッタ３及び被測定反射面６の間の光路において２回通過させてドップラ成分を増やし、分解能を上げるシングルビーム２パス干渉計がある。
【０００７】
図２に、光学系の干渉光路を２パス化して高分解能化を図ったシングルビーム２パス干渉計の構成を示す。図１及び図２において、レーザ光源１は、それぞれが直交する偏光面を有し周波数が僅かに異なる２つの光ビームｆｌ、ｆ２を生成し、それらビームは光源からの光軸において同軸に伝播して戻るが、両図において説明のために光ビームはそれぞれ平行に離れて記載されている。シングルビーム２パス干渉計は、偏光ビームスプリッタ３と、偏光ビームスプリッタ３及び光軸を挟んで対向するコーナキューブ８、９と、偏光ビームスプリッタ射出側の光軸上に配置された１／４波長板４と、偏光ビームスプリッタ３及びコーナキューブ８間に配置された１／４波長板７とを備えている。
【０００８】
図２に示すように、２つの光ビームｆｌ、ｆ２を生成するレーザ光源１から出た２つの光は無偏光ビームスプリッタ２を通過して偏光ビームスプリッタ３に入射し分離される。
偏光ビームスプリッタ３を透過したｆ１の光は測定対象物に取り付けた被測定反射面６で反射して、ここで、偏光ビームスプリッタ３と被測定反射面６との間に相対的な移動があると、ドップラ成分が加わりｆ１±Δｆとなり、再び偏光ビームスプリッタ３に戻る。ｆ１±Δｆの光は１／４波長板４を２回通過して偏光面が９０度回転しているために、今度は偏光ビームスプリッタ３で反射されてコーナキューブ９の方向に進む。コーナキューブ９で折り返されたｆ１±Δｆの光は偏光ビームスプリッタ３で反射して再び１／４波長板４を通過し、被測定反射面６で反射されｆ１±２△ｆとなり、再び１／４波長板４を通過して偏光ビームスプリッタ３に戻る。
【０００９】
一方、ｆ２の光はの参照光として偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板７、コーナキューブ８、１／４波長板７、偏光ビームスプリッタ３、コーナキューブ９、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板７、コーナキューブ８、１／４波長板７、偏光ビームスプリッタ３の経路をたどる。ここで、コーナキューブ８は基準反射鏡であり、偏光ビームスプリッタ３に固定されている。それぞれ偏光ビームスプリッタ３に戻った測定光及び参照光は再び合成され、無偏光ビームスプリッタ２の方向へ進み、その半分が反射して曲げられ光検出器１０に入る。干渉して合成された光は光検出器１０でヘテロダイン検波により電気信号に変換され測長信号ｆ１−ｆ２±２△ｆとなる。測長回路１１では、測長信号ｆ１−ｆ２±２△ｆとレーザ光源の基準信号ｆｌ−ｆ２との差分である±２△ｆのみが求められ、位置情報に変換される。
【００１０】
このように、シングルビーム２パス干渉計では、測定光が干渉計と測定反射鏡間を２往復することになり、ドップラ成分は±２Δｆとなるため、分解能は通常のシングルビーム干渉計の２倍となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
シングルビーム２パス干渉計を用いたレーザ測長器を使用する上で、例えば図３に示すように装置の構成上、干渉光路上（偏光ビームスプリッタ３と被測定反射面６の間）にビームベンダ１２などの偏光に乱れを生じさせる部品を配置する必要がある場合、または、反射面自体が偏光に乱れを生じさせる場合がある。このような場合、偏光ビームスプリッタ３と１／４波長板４による反射光のアイソレートが不完全となり、正規の戻り光（２パス反射光）のほかに不正な戻り光（１パス反射光や３パス反射光）も光検出器１０に到達する現象が起こる。すなわち、レーザ光源１、無偏光ビームスプリッタ２、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３の経路を経てコーナキューブ９方向へ反射すべき光の一部が無偏光ビームスプリッタ２方向へ透過し、これが不正な戻り光ｆ１±△ｆとなって光検出器１０に到達する。また、同様に、正常な経路すなわちレーザ光源１、無偏光ビームスプリッタ２、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３、コーナキューブ９、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３の経路をたどり無偏光ビームスプリッタ２方向へ透過すべき２パス反射光ｆｌ±２△ｆの一部は、コーナキューブ９方向へ反射して再びコーナキューブ９、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３、無偏光ビームスプリッタ２、の経路をたどる３パス反射光ｆｌ±３△ｆとなって、光検出器１０に到達する。これらの不正な戻り光ｆ１±△ｆ、ｆｌ±３△ｆが光検出器１０に入射すると、測定誤差要因となるばかりではなく、正規の戻り光ｆ１±２△ｆと干渉を起こすために測定自体ができなくなる場合もある。
【００１２】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、不正な戻り光を除去できる光学構成の簡単なレーザ測長器及びレーザ測長方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ測長器は、周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、測定軸上にて動く物体に含まれ前記測定軸上に配置された被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に離間して当該入射光線を戻す平行反射部と、前記レーザ光源及び前記平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器であって、前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された基準反射鏡と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記基準反射鏡と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有することを特徴とする。本発明のレーザ測長器においては、前記基準反射鏡はコーナキューブであること、及び、前記コーナキューブと前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする。本発明のレーザ測長器においては、前記基準反射鏡は平面鏡であることを特徴とする。
【００１４】
本発明のレーザ測長器においては、前記基準反射鏡は平面鏡であること、及び、前記基準反射鏡と前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする。本発明のレーザ測長器においては、前記被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、前記平行反射部は前記干渉計と前記被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する収束レンズを含むことを特徴とする。本発明のレーザ測長器においては、前記平行反射部は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする。
【００１５】
本発明のレーザ測長器は、周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、測定軸上にて動く物体に含まれそれぞれが前記測定軸上に前記レーザ光源側から順に相背向して配置された第１及び第２の被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に離間して当該入射光線を戻す第１及び第２の平行反射部と、前記レーザ光源及び前記第１の平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器であって、前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された第２の１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記第２の１／４波長板と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側から出射し前記第２の１／４波長板を通過した光ビームを、前記第２の平行反射部の前記第２の被測定反射部に入射せしめる対向入射光学系とを含み、前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有することを特徴とする。本発明のレーザ測長器においては、前記第１及び第２の被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、かつ、前記第１の平行反射部は前記干渉計と前記第１の被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第１の収束レンズを含み、かつ、前記第２の平行反射部は前記干渉計の前記第２の１／４波長板からの前記対向入射光学系に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第２の収束レンズを含むことを特徴とする。本発明のレーザ測長器においては、前記第１及び第２の平行反射部の各々は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする。
【００１６】
本発明のレーザ測長器においては、前記物体は前記測定軸に直交する主面を有する円板であることを特徴とする。
【００１７】
本発明のレーザ測長方法は、周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、測定軸上にて動く物体に含まれ前記測定軸上に配置された被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に当該入射光線を戻す平行反射部と、前記レーザ光源及び前記平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器によって、異なる光路を通過して再結合した光ビームを光電変換した光周波数に基づいて、前記異なる光路の一部の光路長を変化させる前記物体の移動量を測定するレーザ測長方法であって、前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された基準反射鏡と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記基準反射鏡と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有すること、並びに、前記光ビームを前記平面反射鏡により前記偏光ビームスプリッタ及び前記被測定反射面の間の光路において２回通過させてドップラ成分を増やした測定光とし、前記光ビームを前記偏光ビームスプリッタ及び前記基準反射鏡の間の光路で反射させて参照光とし、前記測定光及び前記参照光は前記偏光ビームスプリッタで合成させ干渉した光を、前記光検出器で光電変換して、ヘテロダイン検波することを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記基準反射鏡はコーナキューブであること、及び、前記コーナキューブと前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記基準反射鏡は平面鏡であることを特徴とする。
【００１８】
本発明のレーザ測長方法においては、前記基準反射鏡は平面鏡であること、及び、前記基準反射鏡と前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、前記平行反射部は前記干渉計と前記被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する収束レンズを含むことを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記平行反射部は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする。
【００１９】
本発明のレーザ測長方法は、周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、測定軸上にて動く物体に含まれそれぞれが前記測定軸上に前記レーザ光源側から順に相背向して配置された第１及び第２の被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に離間して当該入射光線を戻す第１及び第２の平行反射部と、前記レーザ光源及び前記第１の平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器によって、異なる光路を通過して再結合した光ビームを光電変換した光周波数に基づいて、前記異なる光路の一部の光路長を変化させる前記物体の移動量を測定するレーザ測長方法であって、前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された第２の１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記第２の１／４波長板と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側から出射し前記第２の１／４波長板を通過した光ビームを、前記第２の平行反射部の前記第２の被測定反射部に入射せしめる対向入射光学系とを含み、前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有すること、並びに、前記光ビームを前記平面反射鏡により前記偏光ビームスプリッタ及び前記第１及び第２の被測定反射部の間の光路において２回通過させてドップラ成分を増やした測定光とし、前記光ビームを前記偏光ビームスプリッタ及び前記第２の被測定反射部の間の光路で反射させて参照光とし、前記測定光及び前記参照光は前記偏光ビームスプリッタで合成させ干渉した光を、前記光検出器で光電変換して、ヘテロダイン検波することを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記第１及び第２の被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、かつ、前記第１の平行反射部は前記干渉計と前記第１の被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第１の収束レンズを含み、かつ、前記第２の平行反射部は前記干渉計の前記第２の１／４波長板からの前記対向入射光学系に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第２の収束レンズを含むことを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記第１及び第２の平行反射部の各々は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする。本発明のレーザ測長方法においては、前記物体は前記測定軸に直交する主面を有する円板であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による実施形態のレーザ測長器を図面を参照しつつ説明する。図４に実施形態のレーザ測長器を示す。レーザ測長器は、周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビ−ムを同軸の光軸にて生成するレーザ光源例えば上記のゼーマンＨｅ−Ｎｅレーザ１を備えている。レーザ測長器は、光ビ−ムを、測定軸Ａ上にて動く物体Ｂに含まれ測定軸上に垂直に配置された平面反射鏡の反射面６に向けて照射する。レーザ測長器は、レーザ光源１及び反射面６の間に位置し測定軸Ａ上に配置された２パス干渉計ＩＭを備えている。レーザ測長器は、２パス干渉計ＩＭ及び物体Ｂに含まれた反射面６の間に配置されかつ測定軸Ａに一致する光軸を有しかつ測定軸Ａに焦点を有する収束レンズ５を有している。収束レンズ５は光を被測定反射面６に集光させることで、往復の光軸を平行にするキャッツアイ構成にするためのものである。収束レンズ５及び反射面６が入射光線の逆方向かつ離間して平行に当該入射光線を戻す平行反射部を構成している。
【００２１】
ここで実施形態では、レーザ光源１が、測定軸Ａから光ビ−ムの光軸を平行に偏倚せしめ、光ビ−ムの一部が２パス干渉計ＩＭを通過して収束レンズ５及び反射面６へ導かれるように、支持されている。測定軸Ａから光ビ−ムの光軸を偏倚せしめ、光ビ−ムの一部が２パス干渉計を通過して平行反射部へ導かれるようにレーザ光源１を支持する手段１ａを設けることもできる。
【００２２】
２パス干渉計ＩＭは、測定軸Ａ上に配置された偏光ビームスプリッタ３と、偏光ビームスプリッタ及び測定軸を挟んで対向する１対の固定コーナキューブ８及び平面反射鏡１３と、を有する。２パス干渉計ＩＭは、さらに、偏光ビームスプリッタ３の射出側に配置された１／４波長板４と、偏光ビームスプリッタ３及び固定コーナキューブ８の間に配置された１／４波長板７と、を備えている。これら反射手段の平面反射鏡１３は、収束レンズ５を介して反射面６から戻される光ビ−ムの一部の光路を保持すなわち、入射及び反射光ビ−ムがその法線方向に一致して進行するように配置されている。固定コーナキューブ８は、基準反射鏡であり、光ビ−ムの他の一部から参照光を生成する。
【００２３】
このように、本実施形態のシングルビーム２パス干渉計を用いたレーザ測長器は、従来のコーナキューブの代わりに、図４に示すように平面反射鏡１３を配置し、さらに測定光を偏光ビームスプリッタ３の中心から偏倚して入射させる構成にする。この構成により、正規の戻り光（２パス反射光）と、不正な戻り光（１パス反射光及び３パス反射光）を空間的に分離することができる。すなわち、測定光ｆ１は、レーザ光源１から、無偏光ビームスプリッタ２、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、収束レンズ５、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、収束レンズ５、１／４波長板４、の経路を通って偏光ビームスプリッタ３に戻る。この測定光は、入射時の光に対し偏倚量ｄの２倍だけ光軸がシフトする。この時にビームベンダ１２による偏光の乱れが生じた場合、偏光ビームスプリッタ３を透過する異常な偏光成分の光は、無偏光ビームスプリッタ２の方向へ光軸がシフトしたまま戻るため光検出器１０へは入射しない。一方、正常な偏光成分の光は平面反射鏡１３、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、収束レンズ５、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、収束レンズ５、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３、の経路を通って入射光と同一の光軸で無偏光ビームスプリッタ２へ戻り、光検出器１０に入射する。同様に、２パス反射光のうち、偏光ビームスプリッタ３で平面反射鏡１３方向に反射する一部の異常な偏光成分の光は、再び平面反射鏡１３、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、収束レンズ５、ビームベンダ１２、被測定反射面６、ビームベンダ１２、収束レンズ５、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ３、の経路を通って偏倚量２ｄでシフトした光軸で無偏光ビームスプリッタ２方向へ戻り、光検出器１０へは入射しない。
【００２４】
一方、参照光ｆ２はレーザ光源１から、無偏光ビームスプリッタ２、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板７、コーナキューブ８、１／４波長板７、偏光ビームスプリッタ３、平面反射鏡１３、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板７、コーナキューブ８、１／４波長板７、偏光ビームスプリッタ３の経路を通って入射光と同一の光軸で無偏光ビームスプリッタ２へ戻り、光検出器１０に入射する。ここででも平面反射鏡１３は、参照光ビ−ムの光路を保持している。これにより、不正な戻り光だけを分離して検出器１０へ入らない構成を実現することができる。図５に示すように、実施形態のレーザ測長器によれば、回転ディスクの面振れ測定に用いることができる。スピンドルモータＭで回転せしめられる円板例えば光ディスク原盤Ｄ下のマウント面間などの狭所でのレーザ測長が可能となる。この場合、ビームベンダ１２を円板の主面が測定軸Ａに直交するように配置する。
【００２５】
図６に他の実施形態のレーザ測長器を示す。このレーザ測長器は、上記実施形態の基準反射鏡として使用している固定コーナーキューブ８を、入射及び反射光ビ−ムがその法線方向に一致して進行するように固定配置されされた第２平面反射鏡１３ａに置き換えた以外上記実施形態と同一であり、同様の動作を達成する。その場合、コーナキューブに比べて取り付けのアライメント調整を精密に行う必要がある。
【００２６】
図７に他の実施形態のレーザ測長器を示す。このレーザ測長器は、上記実施形態の固定コーナキューブ８を第２平面反射鏡１３ａに置き換えて、１／４波長板７を取り外した以外上記実施形態と同一であり、同様の動作を達成する。その場合、干渉計の熱膨張による測定誤差が大きくなるおそれがあるので、クーラ、ヒートシンクなどを設ける必要がある。
【００２７】
図８に他の実施形態のレーザ測長器を示す。このレーザ測長器は、収束レンズ５を使用せず、物体Ｂに含まれる平面反射鏡の反射面６に代えて、測定軸Ａがその頂点を通過するように物体に配置されたコーナキューブ８ａに置き換えた以外上記実施形態と同一であり、同様の動作を達成する。その場合、置換されたコーナキューブ８ａの体積により、シングルビーム干渉計の使用よる狭所での測長に制限が生じる場合がある。
【００２８】
図９に他の実施形態の差動測定構成のレーザ測長器を示す。この差動レーザ測長器は、上記実施形態の固定コーナキューブ８を、３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、集束レンズ５ａ及び第２被測定反射面６ａに置換した以外上記実施形態と同一である。第２被測定反射面６ａは、物体の反射面６の反対側の測定軸Ａ上に設けられかつ反射面６に平行に背向している。集束レンズ５ａ及び第２被測定反射面６ａ（第２平行反射部）は、入射光線の逆方向かつ離間して平行に当該入射光線を戻すキャッツアイを構成している。３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、測定軸Ａにおいて光ビ−ムの一部が対向するように第２被測定反射面６ａへ入射せしめる対向入射光学系をなしている。
【００２９】
図９において、レーザ光源１から出た２成分の光ｆ１，ｆ２は、無偏光ビームスプリッタ２を透過し、干渉計の偏光ビームスプリッタ３で２成分の光が分離される。偏光ビームスプリッタ３を透過した光ｆ１は被測定反射面６で反射して戻る。その際、１／４波長板４を２回通過し偏光面が９０度回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ３で平面反射鏡１３側へ曲げられて、さらに同一経路を戻って再び被測定反射面６に当たる。反射して偏光ビームスプリッタ３に戻った光は偏光面がさらに９０度回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ３を透過してレーザ光源１側に戻る。戻った光の一部が無偏光ビームスプリッタ２で分離され、光検出器１０に入射する。
【００３０】
最初に偏光ビームスプリッタ３で９０度曲げられた光ｆ２は、干渉計と第２被測定反射面６ａの間を２往復する。すなわち、３個のビームベンダ１２ａ，１２ｂ，１２ｃで反対側の第２被測定反射面６ａに導かれた光ｆ２は、そこで反射した後、同じ光路を戻り、１／４波長板７を２回透過するので、戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ３を透過して平面反射鏡１３へ至り、さらに同一経路を戻って再び第２被測定反射面６ａに当たり、反射して偏光ビームスプリッタ３に再び戻った光は偏光面がさらに９０度回転しているため、今度は偏光ビームスプリッタ３で曲げられてレーザ光源１側に戻る。戻った光の一部が無偏光ビームスプリッタ２で分離され、光検出器１０に入射する。この時、被測定物体と干渉計の間に相対的な移動があると、ドップラ成分が加わり、ｆ１はｆ１±２Δｆ、ｆ２はｆ２±２Δｆとなるため、ヘテロダイン検波された測長信号はｆ１−ｆ２±４Δｆとなり、分解能は基本構成のシングルビーム干渉計の４倍となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、シングルビーム２パス干渉計を用いたレーザ測長器における不正な戻り光を除去できるとともに、干渉光路上にビームベンダなど偏光に乱れを生じさせる部品を配置することができるため、光学系の構成に自由度が得られる。これによって、物体変位を測定したい部分に干渉計を配置するスペースが無い場合にも同干渉計を適用することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、測定対象物の測定軸上に互いに背を向けるよう２つの反射鏡を配置し、測定軸に対して測定光を対向して当てることによって、互いに逆相の変位を差動測定し、２倍の高分解能化が実現できる差動レーザ測長器が可能になる。すなわち、シングルビーム２パス干渉計を差動測定構成とすれば、従来のシングルビーム干渉計に比べて４倍の高分解能化を光学的に実現できる。また、その他、反射面自体が偏光を乱す場合についても同干渉計を適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図２】従来のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図３】従来のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図４】本発明による実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図５】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図６】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図７】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図８】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【図９】本発明による他の実施形態のレーザ測長器を説明するための模式図。
【符号の説明】
１レーザ光源
２無偏光ビームスプリッタ
３偏光ビームスプリッタ
４、７１／４波長板
５、５ａ収束レンズ
６、６ａ反射面
８、９コーナキューブ
１０光検出器
１１測長回路
１２、１２ａ，１２ｂ，１２ｃビームベンダ
１３、１３ａ平面反射鏡

Claims

周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、
測定軸上にて動く物体に含まれ前記測定軸上に配置された被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に離間して当該入射光線を戻す平行反射部と、
前記レーザ光源及び前記平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器であって、
前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された基準反射鏡と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記基準反射鏡と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、
前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有することを特徴とするレーザ測長器。
前記基準反射鏡はコーナキューブであること、及び、前記コーナキューブと前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ測長器。
前記基準反射鏡は平面鏡であることを特徴とする請求項１記載のレーザ測長器。
前記基準反射鏡は平面鏡であること、及び、前記基準反射鏡と前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ測長器。
前記被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、前記平行反射部は前記干渉計と前記被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する収束レンズを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ測長器。
前記平行反射部は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ測長器。
周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、
測定軸上にて動く物体に含まれそれぞれが前記測定軸上に前記レーザ光源側から順に相背向して配置された第１及び第２の被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に離間して当該入射光線を戻す第１及び第２の平行反射部と、
前記レーザ光源及び前記第１の平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器であって、
前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された第２の１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記第２の１／４波長板と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、
前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側から出射し前記第２の１／４波長板を通過した光ビームを、前記第２の平行反射部の前記第２の被測定反射部に入射せしめる対向入射光学系とを含み、
前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有することを特徴とするレーザ測長器。
前記第１及び第２の被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、かつ、前記第１の平行反射部は前記干渉計と前記第１の被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第１の収束レンズを含み、かつ、前記第２の平行反射部は前記干渉計の前記第２の１／４波長板からの前記対向入射光学系に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第２の収束レンズを含むことを特徴とする請求項７記載のレーザ測長器。
前記第１及び第２の平行反射部の各々は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする請求項７記載のレーザ測長器。
前記物体は前記測定軸に直交する主面を有する円板であることを特徴とする請求項７記載のレーザ測長器。
周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、
測定軸上にて動く物体に含まれ前記測定軸上に配置された被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ離間して平行に当該入射光線を戻す平行反射部と、
前記レーザ光源及び前記平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器によって、異なる光路を通過して再結合した光ビームを光電変換した光周波数に基づいて、前記異なる光路の一部の光路長を変化させる前記物体の移動量を測定するレーザ測長方法であって、
前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された基準反射鏡と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記基準反射鏡と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、
前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有すること、並びに
前記光ビームを前記平面反射鏡により前記偏光ビームスプリッタ及び前記被測定反射面の間の光路において２回通過させてドップラ成分を増やした測定光とし、
前記光ビームを前記偏光ビームスプリッタ及び前記基準反射鏡の間の光路で反射させて参照光とし、
前記測定光及び前記参照光は前記偏光ビームスプリッタで合成させ干渉した光を、前記光検出器で光電変換して、ヘテロダイン検波することを特徴とするレーザ測長方法。
前記基準反射鏡はコーナキューブであること、及び、前記コーナキューブと前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする請求項１１記載のレーザ測長方法。
前記基準反射鏡は平面鏡であることを特徴とする請求項１１記載のレーザ測長方法。
前記基準反射鏡は平面鏡であること、及び、前記基準反射鏡と前記偏光ビームスプリッタの間に１／４波長板が配置されていることを特徴とする請求項１１記載のレーザ測長方法。
前記被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、前記平行反射部は前記干渉計と前記被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する収束レンズを含むことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ測長方法。
前記平行反射部は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ測長方法。
周波数の異なる少なくとも２つの可干渉性の光ビームを同軸にて生成するレーザ光源と、
測定軸上にて動く物体に含まれそれぞれが前記測定軸上に前記レーザ光源側から順に相背向して配置された第１及び第２の被測定反射部を含み、かつ、入射光線の逆方向かつ平行に離間して当該入射光線を戻す第１及び第２の平行反射部と、
前記レーザ光源及び前記第１の平行反射部の間に位置し、前記測定軸上に配置された干渉計と、を含むヘテロダイン干渉式レーザ測長器によって、異なる光路を通過して再結合した光ビームを光電変換した光周波数に基づいて、前記異なる光路の一部の光路長を変化させる前記物体の移動量を測定するレーザ測長方法であって、
前記干渉計は、前記測定軸上に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの透過光出射側に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側に固定された第２の１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタを挟んで前記第２の１／４波長板と対向して固定された平面反射鏡と、から構成されており、かつ、
前記偏光ビームスプリッタの反射光出射側から出射し前記第２の１／４波長板を通過した光ビームを、前記第２の平行反射部の前記第２の被測定反射部に入射せしめる対向入射光学系とを含み、
前記光ビームの光軸が前記測定軸から平行に偏倚するように配置されるとともに、偏倚した前記光ビームの光軸上に配置された光検出器を有すること、並びに
前記光ビームを前記平面反射鏡により前記偏光ビームスプリッタ及び前記第１及び第２の被測定反射部の間の光路において２回通過させてドップラ成分を増やした測定光とし、
前記光ビームを前記偏光ビームスプリッタ及び前記第２の被測定反射部の間の光路で反射させて参照光とし、
前記測定光及び前記参照光は前記偏光ビームスプリッタで合成させ干渉した光を、前記光検出器で光電変換して、ヘテロダイン検波することを特徴とするレーザ測長方法。
前記第１及び第２の被測定反射部は前記測定軸を法線とする反射面であり、かつ、前記第１の平行反射部は前記干渉計と前記第１の被測定反射部の間に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第１の収束レンズを含み、かつ、前記第２の平行反射部は前記干渉計の前記第２の１／４波長板からの前記対向入射光学系に配置されかつ前記測定軸に一致する光軸を有しかつ前記測定軸に焦点を有する第２の収束レンズを含むことを特徴とする請求項１７記載のレーザ測長方法。
前記第１及び第２の平行反射部の各々は、前記物体に含まれ、その頂点が前記測定軸に一致するコーナキューブであることを特徴とする請求項１７記載のレーザ測長方法。
前記物体は前記測定軸に直交する主面を有する円板であることを特徴とする請求項１７記載のレーザ測長方法。