レーザ測長器

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【発明の名称】	レーザ測長器
【発明者】	【氏名】清水徹
【要約】	【課題】同一方向に独立に移動可能な２個の移動部材間の距離の変化を測定できる低コストのレーザ測長器の実現。【解決手段】レーザビーム10を、逆方向に進行する第１の測定レーザビーム14と第２の測定レーザビーム15に分割して出射すると共に、逆方向に反射されて戻ってくる第１と第２の測定レーザビームを干渉するように合成する干渉光学ユニット21-25 と、第１の測定レーザビーム14を逆方向に反射する第１の測定反射ユニット31a と、第２の測定レーザビーム15を逆方向に反射する第２の測定反射ユニット31b と、干渉光学ユニットで合成された第１と第２の測定レーザビームの干渉縞の変化をカウントするカウンタ8 とを備える。

【特許請求の範囲】
【請求項１】レーザビーム（１０）を、逆方向に進行する第１の測定レーザビーム（１４）と第２の測定レーザビーム（１５）に分割して出射すると共に、逆方向に反射されて戻ってくる前記第１と第２の測定レーザビーム（１４，１５）を干渉するように合成する干渉光学ユニット（２１，２２，２３，２４，２５）と、前記第１の測定レーザビーム（１４）を逆方向に反射する第１の測定反射ユニット（３１ａ）と、前記第２の測定レーザビーム（１５）を逆方向に反射する第２の測定反射ユニット（３１ｂ）と、前記干渉光学ユニットで合成された前記第１と第２の測定レーザビームの干渉縞の変化をカウントするカウンタ（８）とを備え、前記第１と第２の測定反射ユニット（３１ａ，３１ｂ）間の距離の変化を検出可能にしたことを特徴とするレーザ測長器。
【請求項２】請求項１に記載のレーザ測長器であって、前記第１と第２の測定反射ユニット（３１ａ，３１ｂ）は、コーナーキューブであるレーザ測長器。
【請求項３】請求項１に記載のレーザ測長器であって、前記第１の測定反射ユニット（３１ａ）は、前記第１の測定レーザビーム（１４）を第１の移動部材（１０２ａ）の表面に収束し、該第１の移動部材（１０２ａ）の表面で反射された前記第１の測定レーザビーム（１４）を逆方向に進行する平行ビームにする第１の収束手段（２６ａ）であり、前記第２の測定反射ユニット（３１ｂ）は、前記第２の測定レーザビーム（１５）を第２の移動部材（１０２ｂ）の表面に収束し、該第２の移動部材（１０２ｂ）の表面で反射された前記第２の測定レーザビーム（１５）を逆方向に進行する平行ビームにする第２の収束手段（２６ｂ）であるレーザ測長器。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ測長器であって、前記干渉光学ユニットは、前記第１と第２の測定レーザビーム（１４，１５）が出射される光軸が同一の軸になるように調整する出射軸一致手段（２６；２７，２８）を備えるレーザ測長器。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定物体の移動に伴い変化する干渉縞の本数を計数して移動距離を測定するレーザ測長器に関し、特に同一の軸方向に移動する２つの移動部材間の距離の変化を検出可能にしたレーザ測長器に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、一般的な干渉光学ユニットの構成を示す図である。レーザ光１１は、Ｈｅ－Ｎｅレーザ等から出射された可干渉性の良好な（干渉距離の長い）光ビームであり、レーザから直接入射されることも、偏波面保存ファイバを利用して入射されることもある。レーザ光１１は、偏光ビームスプリッタ１で２つのレーザビーム１２と１３に分けられる。この時、偏光ビームスプリッタ１の光軸は入射するレーザ光１１の偏光面に対して４５°になるように調整されている。この場合、偏光ビームスプリッタ１を透過するレーザ光１３はＰ偏光、偏光ビームスプリッタ１で反射するレーザ光１２はＳ偏光と呼ばれ、互いに偏光方向が直交している。一方のレーザビーム（Ｐ偏光）１３は、移動量を測定する対象物に配置されたコーナーキューブ３に入射し、そこで逆方向に反射されて再び偏光ビームスプリッタ１に入射する。他方のレーザビーム（Ｓ偏光）１２は干渉光学ユニットに設けられた参照用コーナーキューブ２に入射し、そこで逆方向に反射されて再び偏光ビームスプリッタ１に入射する。コーナーキューブ３から偏光ビームスプリッタ１に入射したレーザビーム１３と参照用コーナーキューブ２から偏光ビームスプリッタ１に入射したレーザビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１で重なり合い、偏光板４を通過した後光検出器５に入射する。これらの２つのレーザビームは相互に干渉し干渉縞を生じるが、干渉縞の強度は２つのレーザビームの光路差がレーザビームの波長の整数倍の時にもっとも大きくなり、光路差が波長の整数倍と１／２異なる時にもっとも小さくなる。そのため、コーナーキューブ３が取り付けられた対象物が移動すると光検出器５の出力強度が周期的に変化する。具体的にはコーナーキューブ３が１／２波長分移動すると、往復で波長分の光路差が生じるため、光検出器５の出力強度が変化するサイクル数に１／２波長を乗じた値がコーナーキューブ３、すなわち対象物の移動距離である。
【０００３】光検出器５の出力信号は、増幅器６で増幅された後、比較器７で出力信号の中間レベルと比較されて２値信号に変換され、それをカウンタ８で計数する。測長値算出部９は、カウンタ１３６の値から移動距離を算出する。一般に、偏光ビームスプリッタ１、参照用コーナーキューブ２、偏光板４及び光検出器５は１つのユニットに収容され、干渉光学ユニットと呼ばれる。
【０００４】レーザ測長器については広く知られており、例えば、レーザ光源と干渉光学ユニットの間を光ファイバで接続し、測定のための配置の自由度を向上した技術が、実願昭６２－５２８６９号などに開示されている。従って、ここでは詳しい説明を省略する。図２は、従来のレーザ測長器を使用して、移動部材の移動量を測定する方法を説明する図である。図２の（１）に示すように、移動部材１０２はベース１０１上を移動できるようになっており、干渉光学ユニット１０をベース１０１に固定し、コーナーキューブ３を移動部材１０２に固定し、干渉光学ユニット１０から出射される測定用レーザビーム１３をコーナーキューブ３に入射させる。コーナーキューブ３に入射した測定用レーザビーム１３は、逆方向に反射され、再び干渉光学ユニット１０に入射するので、干渉縞の変化をカウントすれば、移動部材１０２の移動量が測定できる。
【０００５】一般には、測定を始める前に移動部材１０２を基準位置に移動し、カウント数をリセットする。その後移動部材１０２を移動の移動に応じた干渉縞の変化のカウント数を累算することにより、その時点の基準位置に対する位置が判明する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図２の（１）は移動部材が１個の場合であるが、図２の（２）に示すように、ベース１０１の上を同一方向に独立に移動可能な２個の移動部材１０２ａと１０２ｂがあり、各移動部材の位置を測定する必要はなく、２個の移動部材１０２ａと１０２ｂの間の距離を測定する必要がある場合がある。上記の従来のレーザ測長器を使用して２個の移動部材１０２ａと１０２ｂの間の距離を測定するには、図２の（２）に示すように、干渉光学ユニット１０ａとコーナーキューブ３ａの組で移動部材１０２ａの移動距離を測定し、干渉光学ユニット１０ｂとコーナーキューブ３ｂの組で移動部材１０２ｂの移動距離を測定し、それらの差を算出することにより２個の移動部材１０２ａと１０２ｂの間の距離を測定する。
【０００７】しかし、このような測定方法は、２個のレーザ測長器を使用する必要がある上、測定した２つの移動距離の差を算出するための演算手段が必要であり、複雑でコストが高いという問題がある。本発明は、このような問題を解決すためのもので、同一方向に独立に移動可能な２個の移動部材間の距離の変化を測定できるレーザ測長器を低コストで実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ測長器は、上記目的を実現するため、干渉光学ユニットで分割した２つのレーザビームを逆方向に出射し、２つのレーザビームを２個の移動部材に設けた反射ユニットで反射して干渉光学ユニットに戻して干渉させる。これにより、２個の反射ユニット間の距離、すなわち２個の移動部材間の距離の変化に応じて干渉縞が変化するので、その変化を検出することにより、２個の移動部材間の距離の変化を検出することができる。
【０００９】すなわち、本発明のレーザ測長器は、レーザビームを、逆方向に進行する第１の測定レーザビームと第２の測定レーザビームに分割して出射すると共に、逆方向に反射されて戻ってくる第１と第２の測定レーザビームを干渉するように合成する干渉光学ユニットと、第１の測定レーザビームを逆方向に反射する第１の測定反射ユニットと、第２の測定レーザビームを逆方向に反射する第２の測定反射ユニットと、干渉光学ユニットで合成された第１と第２の測定レーザビームの干渉縞の変化をカウントするカウンタとを備え、第１と第２の測定反射ユニット間の距離の変化を検出可能にしたことを特徴とする。
【００１０】第１と第２の測定反射ユニットとしてはコーナーキューブを使用することが望ましいが、ミラーなどを使用することも可能である。また、平行ビームをレンズなどの収束手段で物体の表面に正確に収束すると、表面からの反射ビームが収束手段により逆方向に進行するビームとなるので、第１と第２の測定レーザビームをそれぞれ第１と第２の移動部材の表面に収束するように設けた第１と第２の収束手段を、第１と第２の測定反射ユニットとして使用することもできる。
【００１１】第１と第２の測定レーザビームは、移動部材の移動方向と平行に出射されればよいが、第１と第２の測定レーザビームの光軸が同一の軸になるように調整する出射軸一致手段を設けて、第１と第２の測定レーザビームの光軸を同軸とすると、使い勝手がよくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は干渉光学ユニットの部分のみが従来と異なり、それ以外の部分、例えば、図１の偏光板４から測長値算出部９に至る部分や、レーザ光１１を干渉光学ユニットの部分に導く構成などは従来と同じである。また、図１では図示していないが、レーザ測長器では、干渉縞の変化をずらした位置で測定して、その変化具合からどちらの方向に移動しているかを検出できるようにしており、以下に説明する実施例でもこの機構を使用し、２個の移動部材間の距離が増加したか減少したかが検出できるようになっているものとする。
【００１３】図３は、第１実施例のレーザ測長器の構成を示す図であり、干渉光学ユニットと測定反射ユニットとして使用するコーナーキューブの部分の構成を示す。図３に示すように、第１実施例では、図示のように、接合面２２に多層膜を形成したプリズムを接合して、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する偏光ビームスプリッタ２１を使用している。図示のように、偏光ビームスプリッタ２１に入射したレーザビーム１１は、最初の面で全反射されて接合面２２に入射する。偏光ビームスプリッタ２１の光軸は入射するレーザ光１１の偏光面に対して４５°になるように調整されており、レーザビームのＰ偏光成分は透過して１／４波長板２３を通ってレーザビーム１４として出射され、レーザビームのＳ偏光成分は反射して１／４波長板２４を通ってプリズム２５で反射された上でレーザビーム１５として出射される。プリズム２５の傾きは、レーザビーム１５の出射方向がレーザビーム１４と逆方向になるように調整されている。
【００１４】レーザビーム１４は、移動部材１０２ａに固定されたコーナーキューブ３１ａで逆方向に反射されて、再び１／４波長板２３を通過して偏光ビームスプリッタ２１に入射する。レーザビーム１４は１／４波長板２３を２回通過しているので、Ｓ偏光に変化しており、偏光ビームスプリッタ２１で反射される。一方、レーザビーム１５は、移動部材１０２ｂに固定されたコーナーキューブ３１ｂで逆方向に反射されて、再びプリズム２５で反射された後１／４波長板２４を通過して偏光ビームスプリッタ２１に入射する。レーザビーム１５は１／４波長板２４を２回通過しているので、Ｐ偏光に変化しており、偏光ビームスプリッタ２１を通過する。このようにして、偏光ビームスプリッタ２１で分割された２つのレーザビーム１４と１５は、コーナーキューブ３１ａと３１ｂで反射された後、偏光ビームスプリッタ２１で合成され干渉する。干渉縞は合成される２つのレーザビーム１４と１５の位相に応じて変化し、合成される２つのレーザビーム１４と１５の位相はそれぞれの光路長で変化する。従って、干渉縞はコーナーキューブ３１ａと３１ｂの間の距離に応じて変化することになるので、干渉縞の変化を検出すれば、コーナーキューブ３１ａと３１ｂの間の距離の変化、すなわち移動部材１０２ａと１０２ｂの距離の変化が測定できる。
【００１５】図４は、第２実施例のレーザ測長器の構成を示す図である。干渉光学ユニットの部分は第１実施例と同じであり、測定反射ユニットとしてコーナーキューブの代わりにレンズ２６ａと２６ｂが使用されている点が第１実施例と異なる。レンズ２６ａと２６ｂは、それぞれ移動部材１０２ａと１０２ｂに固定されており、入射するレーザビーム１４と１５を移動部材１０２ａと１０２ｂの表面に微少な点になるように収束する。レーザビーム１４と１５が収束される部分の表面は、反射率の高い鏡面であることが望ましいが、粗面であっても原理的には測定可能である。平行ビームをレンズで物体の表面に微少な点になるように収束すると、そこで反射されたビームは再びレンズに入射して元のビームと平行で逆方向に進行するビームになる。従って、移動部材１０２ａと１０２ｂで反射されたレーザビーム１４と１５は、再び平行ビームとなって元の光路を戻り、偏光ビームスプリッタ２１で合成されて干渉縞を生じる。他は第１実施例と同じである。
【００１６】第１及び第２実施例では、干渉光学ユニットから出射される２つレーザビームは逆方向に進行するが、光軸はずれていた。これでは、コーナーキューブやレンズを設ける位置がずれるため、使い勝手がよくない。第３実施例では、干渉光学ユニットから出射される２つレーザビームの光軸が一致するようにして、使い勝手を改良する。
【００１７】図５は第３実施例のレーザ測長器の構成を示す図である。図５の（１）に示すように、図３の第１実施例の構成に加えて、レーザビーム１５の光軸がレーザビーム１４の光軸と一致するようにずらすためのプリズム２６が設けられている。また、図５の（２）に示すように、第１実施例のプリズム２５を図示のプリズム２７とし、偏光ビームスプリッタ２１の斜面に内面反射でも外面反射でも高感謝率になるように多層膜２８を設けることにより、部品点数を増加させずに出射される２つのレーザビームの光軸を一致させることが可能である。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、同一方向に独立に移動可能な２個の移動部材間の距離の変化を測定できるレーザ測長器が低コストで実現される。

【出願人】	【識別番号】０００１５１４９４【氏名又は名称】株式会社東京精密
【出願日】	平成１１年１１月１６日（１９９９．１１．１６）
【代理人】	【識別番号】１０００７７５１７【弁理士】【氏名又は名称】石田敬（外４名）
【公開番号】	特開２００１－１４１４１４（Ｐ２００１－１４１４１４Ａ）
【公開日】	平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【出願番号】	特願平１１－３２５６６１