JP2001141414A - レーザ測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【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。

Description

【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１０
２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１０
２ｂ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１０２
ａ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２
５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３
１ｂの間の距離の変化、すなわち移動部材１０２ａと１
０２ｂ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１
０２ｂ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１０２
ａ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２
７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。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のレーザ測長器の構成を示す図である。

【図２】従来のレーザ測長器を使用して移動部材の移動
量を測定する方法及び２個の移動部材間の距離の変化を
測定する方法を説明する図である。

【図３】本発明の第１実施例のレーザ測長器の構成を示
す図である。

【図４】本発明の第２実施例のレーザ測長器の構成を示
す図である。

【図５】本発明の第３実施例のレーザ測長器の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１１…入射レーザビーム １４…第１の測定レーザビーム １５…第２の測定レーザビーム ２１…偏光ビームスプリッタ ２３，２４…１／４波長板 ２５，２６，２７…プリズム ２６ａ，２６ｂ…測定用反射ユニット（レンズ） ３１ａ，３１ｂ…測定用反射ユニット（コーナーキュー
ブ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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（１０２
   ａ）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（１０２
   ｂ）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。
4. 【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。