JP5933190B2 - 光学式距離測定機器 - Google Patents
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Description
本発明による光学式距離測定機器で利点がある実施方法は、従属請求項に記載の方策から得られる。
別の実施形態では基準反射器が球状で構成されているので、それに入射する基準光束の少なくとも一部が、反射するように構成されたボール内面に集束され、そこから基準光束の逆反射が、光束結合ユニット方向に行われる。基準反射器は透明なボールで出来ており、ボール材料が屈折率n=2を有するか、さもなくば基準反射器が、異なった屈折率および曲率を有する複数の球状皿で出来ている。
−測定反射器の方向に進む測定光束として機能し、そして格子により別の回折次数に回折された部分光束が、基準反射器の方向に進む基準光束として機能するか、または
−基準反射器の方向の進む基準光束として機能し、そして格子により別の回折次数に回折された部分光束が、測定反射器の方向に進む測定光束として機能するか
のいずれかである。
−測定反射器の方向に進む測定光束として機能し、そして光束分割要素により反射され測定光束に対して直角に向いた偏光特性を有する部分光束が、基準反射器の方向に進む基準光束として機能する、または
−基準反射器の方向に進む基準光束として機能し、そして光束分割要素により反射され基準光束に対して直角に向いた偏光特性を有する部分光束が、測定反射器の方向に進む測定光束として機能する
のいずれかである。
−光源から入射する直線偏光した光束が、偏光光束分割要素を損失なしで通過し、
−引き続いて、この光束がλ/4プレートを一回目の透過をし、そして
−測定反射器と基準反射器により逆反射された測定光束と基準光束が、λ/4プレートを二回目の透過をし、それにより
−測定光束と基準光束が、改めて偏光光束分割要素に当たり、それにより測定光束と基準光束が光束結合ユニットの方向に完全に反射される。
図示している本発明による光学式距離測定機器には内部に、例えばレーザ光源として構成された光源10および、測定(再帰)反射器21、位置固定して配設された基準(再帰)反射器22、光束分割要素23、光束結合ユニット24、および検知ユニット25を備えた干渉計ユニットを含んでいる。図1aにおいて破線矢印で明示しているように、光源10により発光された光束Sは、基準反射器22の中心を軸にして旋回自在である。そのために、位置固定された基準反射器22の中心を軸にして旋回自在である旋回ユニットが設けられているが、分かり易くするために図1aでは図示していない。本発明による光学式距離測定機器において可能性がある旋回ユニットの構成に関しては、後にある図9a、9bの説明を参照されたい。
光束分割要素23を介して分割された後に測定光束MSは、測定反射器21の方向に更に進み、そして基準光束RSは、測定光束MSに対して平行に基準反射器22の方向に進む。
ここで本発明による光学式距離測定機器のこの実施例にとって重要なことは、光源110により発光された光束Sが、基準反射器122の直径より大きい光束断面を有していることである。よって、このような寸法にした光束断面を有する光束Sが、基準反射器122を照射する。光源110と基準反射器122間にある偏光構成ユニット130の光学的機能に対しては、以下の説明の中で更に詳細に取り扱うことにする。この実施例では基準反射器122は従って、光源110により発光された光束Sの光路において、光束分割要素としての役割を果たしている。ここでは特に、基準反射器122が形状的な光束分割器として機能しており、それを介して、それに入射する光束Sを測定光束MSと基準光束RSに分割する。図5aから分かるように、この場合には基準光束RSが、入射方向ないし光束結合ユニット124の方向に逆反射される。入射する光束Sで基準反射器122により逆反射されない部分が、基準反射器22を円対称で取り囲んで、測定光束MSとして測定反射器121の方向に進み、そこから光束結合ユニット124の方向に戻る。図5bは図1bに類似して、基準反射器122の範囲にある干渉計測定分岐光路の断面外観を示している。この図示において明らかに、基準反射器122に関して測定光束MSが同じく対称的に、特に円対称で進むことが分かる。従って、この実施例でも測定光束MSが、基準反射器122に関して対称に、特に逆反射の対称軸SAに対して同じく軸対称に延伸している。
本発明による機器では光束結合ユニットを介して、それに入射する測定光束と基準光束の光束ズレが修正されて、これら光束の同一線上の重なり合いとなることが基本的に確保される。それにより後続配設された検知ユニットで、位相のずれた周期的な干渉信号の生成が可能であり、運動方向の認識も干渉信号の信号周期内での位置挿入もできる。このことを本発明による機器では、検知ユニットの前で測定光束と基準光束を方向コード化または偏光特性コード化することを介して保証することができる;これらの混合形態も基本的に実施可能である。選択したコード化原理に従って、光束結合ユニットと検知ユニットを互いで適切に合わせる。
方向コード化原理をベースにする光束結合ユニット224と検知ユニット225を構成するための第一変形例を、図6で概略的に図示している;図7a〜7cは、図6による種々の断面外観図を示している。
21 測定反射器
22 基準反射器
23 光束分割要素
23.1 第一透過回折格子
24 光束結合ユニット
24.1 第二透過回折格子
25 検知ユニット
26 評価ユニット
28 参照検知器
29 第三透過回折格子
110 光源
121 測定反射器
122 基準反射器
124 光束結合ユニット
125 検知ユニット
126 評価ユニット
130 偏光構成ユニット
130.1 偏光光束分割要素
130.2 λ/4プレート
224 光束結合ユニット
224.1 透過回折格子
224.2 透過回折格子
224.3 キャリア基板
224.4 窓状範囲
224.5 透過回折格子
225 検知ユニット
225.1 レンズ
225.2 検知器要素
225.3 検知器要素
230 光束分割要素
230.1 第一偏光光束分割ミラー
240 光束結合ユニット
240.1 第二偏光光束分割ミラー
290.1 方向転換ミラー
290.2 第三偏光光束分割ミラー
291 λ/2プレート
292 λ/4プレート
324 光束結合ユニット
324.1 λ/2プレート
324.2 方向転換ミラー
324.3 偏光光束分割要素
325 検知ユニット
325.1 光束分割要素
325.2 偏光光束分割要素
325.3 λ/4プレート
325.4 検知器要素
410 光源
422 基準反射器
424 光束結合ユニット
425 検知ユニット
430 偏光構成ユニット
450 旋回ユニット
510 光源
511 光ファイバ
512 コリメータ光学系
522 基準反射器
524 光束結合ユニット
525 検知ユニット
530 偏光構成ユニット
550 旋回ユニット
Claims (15)
- 光学式距離測定機器であって、
光源(10;110;410;510)と、
測定反射器(21;121;421;521)、位置固定して配設された基準反射器(22;122;422;522)、光束分割要素(23;230)、光束結合ユニット(24;124;240;224;324;424;524)、および検知ユニット(25;125;225;325;425;525)を備えた干渉計ユニットと、で構成されている光学式距離測定機器において、
光源(10;110;410;510)により発光された光束(S)が、基準反射器(22;122;422;522)の中心を軸にして旋回自在であり、そして
光源(10;110;410;510)から届く光束(S)を、光束分割要素(23;230)を介して少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS”)と基準光束(RS)に分割し、そして
少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)が、測定反射器(21;121;421;521)の方向に進み、そして基準光束(RS)が、基準反射器(22;122;422;522)の方向に進み、そして
測定反射器(21;121;421;521)により測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)の逆反射が、そして基準反射器(22;122;422;522)により基準光束(RS)の逆反射が、光束結合ユニット(24;124;240;224;324;424;524)の方向に行われ、その時に少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)が、測定反射器(21;121;421;521)での反射の前後で基準反射器(22;122;422;522)に関して対称に伝搬し、そして
光束結合ユニット(24;124;240;224;324;424;524)が、少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)を干渉させ、そして
検知ユニット(25;125;225;325;425;525)を介して、距離に関係する干渉信号を検出する、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1に記載の光学式距離測定機器において、
光束結合ユニット(24;124;240;224;324;424;524)に複数の光学要素を含んでおり、該光学要素の一つに入射する少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)および前記光学要素の他方に入射する基準光束(RS)を整列させて、前記測定光束と前記基準光束とを、同一線上で重ね合わせて、互いに位相がずれた干渉信号を有する、測定光束と基準光束との複数の対を検知ユニット(25;125;225;325;425;525)により生成できるように、同一線上で重ね合わせる、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1に記載の光学式距離測定機器において、
少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)が、測定反射器(21;121;421;521)での逆反射の前後に、光源(10;110;410;510)から入射する光束(S)の入射方向に対して平行且つ基準反射器(22;122;422;522)の中心をとおって延びる逆反射の対称軸(SA;SA’)に関して、軸対称に延びている、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
位置固定された基準反射器(22;122;422;522)の中心を軸にして旋回自在の旋回ユニット(450;550)であって、その中に少なくとも光束結合ユニット(24;124;240;224;324;424;524)と検知ユニット(25;125;225;325;425;525)および、光源(10;110;410;510)または光ファイバ(511)の出口側端部のいずれかが配設されており、それにより光源(10;110;410;510)により発光された光束(S)が、基準反射器(22;122;422;522)を軸にして旋回自在である旋回ユニット、および
追随ユニットであって、それが旋回ユニット(450;550)を測定反射器(21;121;421;521)に追随させ、そのために測定反射器(21;121;421;521)に関して少なくとも一つの測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)の実際の向きを検出できる追随検知手段を含んでいる追随ユニットを有している、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
検知ユニット(25;125;225;325;425;525)を介して検出された干渉信号から、基準反射器(22;122;422;522)の中心と測定反射器(21;121;421;521)の中心間の距離を求める評価ユニット(26;260)を有している、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
基準反射器(22;122;422;522)が球状に構成されており、前記基準反射器に入射する基準光束(RS)の少なくとも一部が反射するように構成されたボール内面に集束され、該ボール内面から基準光束(RS)の逆反射が、光束結合ユニット(24;124;240;224;324;424;524)の方向に行われ、そして基準反射器(22;122;422;522)が、
透明なボールで出来ており、そのボール材料が屈折率n=2を有する、または
互いに異なった屈折率および互いに異なった曲率を有する複数の球状皿で出来ている、
のいずれかであることを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
光源(110;410;510)により発光された光束(S)が、基準反射器(122;422;522)の直径より大きい光束断面を有しており、そして
基準反射器(122;422;522)が光源(110;410;510)により発光された光束(S)の光路において、入射する光束を測定光束(MS)と基準光束(RS)に分割する形状的な光束分割器として配設されていることにより、基準反射器(122;422;522)が光束分割要素として機能する、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項7に記載の光学式距離測定機器において、
基準光束(RS)が、基準反射器(122;422;522)により、光束結合ユニット(124;424;524)の方向に逆反射され、そして
測定光束(MS)が、基準反射器(122;422;522)に対して円対称で測定反射器(121;421;521)の方向に進み、そして光束結合ユニット(124;424;524)の方向に戻る、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
光束分割要素(23)に少なくとも一つの格子(23.1)を含んでおり、
(a) 前記格子から出た0次回折次数に回折された部分光束が、測定反射器(21)の方向に進む測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)として機能すると共に、格子(23.1)により別の回折次数に回折された部分光束が、基準反射器(22)の方向に進む基準光束(RS)として機能するか、または
(b) 前記格子から出た0次回折次数に回折された部分光束が、基準反射器(22)の方向に進む基準光束(RS)として機能すると共に、格子(23.1)により別の回折次数に回折された部分光束が、測定反射器(21)の方向に進む測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)として機能するか
のいずれかである、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
光束分割要素(23;230)に少なくとも一つの偏光光束分割要素(230.1)を含んでおり、
(a) 前記偏光光束分割要素から出た透過部分光束が、測定反射器(21)の方向に進む測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)として機能すると共に、光束分割要素(23;230)により反射され測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)に対して直角に向いた偏光特性を有する部分光束が、基準反射器(22)の方向に進む基準光束(RS)として機能するか、または
(b) 前記偏光光束分割要素から出た透過部分光束が、基準反射器(22)の方向に進む基準光束(RS)として機能すると共に、光束分割要素(23;230)により反射され基準光束(RS)に対して直角に向いた偏光特性を有する部分光束が、測定反射器(21)の方向に進む測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)として機能するか
のいずれかである、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項7〜9の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
光束結合ユニット(24;124;224;424;524)に少なくとも一つの第一格子(29;224.1)を含んでおり、該第一格子を介して、平行にずれた、測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と前記第一格子に入射する基準光束(RS)とを一つの場所で重ね合わせ、そして少なくとも一つの第二格子(24.1;224.2a;224.2b)を介して、測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)とを同一線上で重ね合わせる
ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項10に記載の光学式距離測定機器において、
光束結合ユニット(24;240)に複数の偏光光束分割要素(240.1)を含んでおり、該複数の偏光光束分割要素を介して、前記光束結合ユニットに入射する平行にずれ互いに直角に偏光した、測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)とを、一つの場所で同一線上で重ね合わせる、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1に記載の光学式距離測定機器において、
光源(110)により発光された光束(S)の光路において基準反射器(122)の前に、偏光光束分割要素(130.1)とλ/4プレート(130.2)を含む偏光構成ユニット(130)が配設されており、それにより
光源(110)から入射する直線偏光した光束(S)が、偏光光束分割要素(130.1)を損失なしで通過し、
引き続いて、この光束がλ/4プレート(130.2)を一回目の透過をし、そして
測定反射器(121)と基準反射器(122)により逆反射された測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)が、λ/4プレート(130.2)を二回目の透過をして、それにより
測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)が、改めて偏光光束分割要素(130.1)に当たり、それにより測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)が光束結合ユニット(124)の方向へ完全に反射される、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
検知ユニット(25;125;225;425;525)に少なくとも一つの格子(24.1;224a;224b)を含んでおり、その格子に、測定反射器(21;121;421;521)と基準反射器(22;122;422;522)により逆反射された測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)が、前配設された光学要素による屈折後に異なった入射角で当たり、そして回折された測定光束(MS;MS’)と基準光束(RS)で構成された光束のペアが、この格子(24.1;224a;224b)から出て少なくとも三つの異なった空間方向で、互いに位相がずれた干渉信号を生成できる検知要素(225a、225b、225c)の方向に進むように、その格子が空間的に配設されている、および/またはその格子パラメータが選択されている、ことを特徴とする光学式距離測定機器。 - 請求項1〜3の少なくとも一つに記載の光学式距離測定機器において、
検知ユニット(25;125;325;425)に複数の偏光構成要素を含んでおり、同一線上で重ね合わされ互いに直角に偏光した測定光束(MS;MS’;MS”;MS’”)と基準光束(RS)とから、位相がずれた複数の干渉信号を生成出来るように、その偏光構成要素が配設されている、ことを特徴とする光学式距離測定機器。
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