JP2630345B2 - 真直度干渉計システムおよび光学部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は機械部品のような移動物体の公称的な直線路
からの横方向のずれを測定するのに用いる真直度干渉計
システムに関する。

背景技術 真直度干渉計システムは、例えば英国特許第1,409,33
9号により知られており、その中で主光軸に沿って進む
レーザビームかウオラストンプリズムによって２つの２
次ビームに分けられる。この２つの２次ビームは等しい
小角度で主光軸からずれ、２つの分離した平坦な反斜面
に向けられる。この２つの反射面は互いに主光軸で２等
分される一定の角度で相互に固定された関係で据え付け
られている。主光軸からの２次ビームのずれ角度と平坦
な反射面間の角度は、２次ビームが各々の元の光路に沿
ってプリズムに向って反射され、プリズム内で再結合さ
れるような角度である。この結合光線は主光軸に沿って
戻る。

このようなシステムはある欠点を有している。その第
１は再結合された光線が出射レーザ光線の安定性に逆効
果となるおそれのあるところのレーザ（レーザ発生器）
へ向ってプリズムから戻ることである。この第２は２次
ビームの主光軸からの角度のずれ（偏向）が非常に小さ
いので、干渉計が分析し信号が失われる前に、ウオラス
トンプリズムに対して配設可能な平面反射器をいかに接
近させるかについて限界があることである。この点にお
いて、このウオラストンプリズムと平面反射器との間の
距離を、以下デッドパス（死路）を称す。

さらに加えて、上記システムの部品、特にウオラスト
ンプリズムにあっては、高価となるが非常に精密に作ら
ねばならないことである。例えば、ウオラストンプリズ
ムの製造において、ずれの合計、すなわち２つのビーム
間の角度が正確に調整されなければならないのみなら
ず、主光軸からの各々のビームのずれ角が本シスムの非
対称性を避けるために実質的に等しくなるようにしなけ
ればならない。さらにまた、平面反射器は相対的に互い
に、またウオラストンプリズムに対して正確に位置決め
され、反射ビームが、測定に用いられる干渉縞を生じさ
せるようにプリズム内において再結合するのを確実にし
なければならない。このように、上述の干渉計の部品の
整列は容易なものではない。

発明の開示 添付の請求項に請求されているように、本発明は２つ
の出射２次ビームを発生するビームスプリッタを具え、
そのうちの第１の２次ビームを光線の主軸に対して平行
に指向させ、他方のビームを主軸に対して小さい角をな
すようにすることによって、上記の欠点の１またはそれ
以上を解消する。

本発明の一実施例において、第１の２次ビームは上記
主軸と共通な直線上に指向される。

このように生成された２次ビームの非対称配列は、１
つのずれ角度のみを調整すればよいので、使用されるビ
ームスプリッタは製造が容易で、高価とならないという
利点を有する。さらにまた、この整列の問題は１本の光
線がずれないようにすることにより軽減される。

ロションプリズムは所望の非対称の２次ビームの作る
ことができ、最も安上りな解決手段であるが、上述の先
行技術と同様のデッドパスの限界を有している。

デッドッパスの限界は一対の角形偏向器（square def
lector）、例えば中空ペンタキューブ（pentacube）、
あるいはペリスコープ（潜望鏡）効果が得られる他の光
学装置を用いることにより、より高価な具体例では直す
ことができる。一対の中空ペンタキューブを用いるとま
た、それらが取り付けられた機械部品の縦揺れ（ピッチ
ング）に不感となり、横揺れ（ヨーイング）に鈍感とな
るという利点がある。

添付の請求項に請求されたように本発明は出射２次ビ
ームをビームスプリッタへ戻すため、ルーフトッププリ
ズムの形の戻し反射器（再帰反射器：リトロレフレクタ
ー）を他の実施例として提供している。この手段によっ
て、戻り光ビームは出射２次ビーム路から転置されるの
で、戻りの結合されたビームが主軸から転置されて元の
光ビームと干渉しないということを確実にする。

従って、真直度干渉システムを構成する部品の適切な
選択によって、各問題点を除去するにあたり加えられた
原価に見合うか否かに依存して、上述の欠点のいくつ
か、または全てを解消し、または少なくとも減らすこと
ができる。

図面の簡単な説明 本発明の実施例を添付図面を参照して一層詳細に説明
する。

第１図は実施例の真直度干渉計システムの位置関係と
光路を示した機械の概略側面図である。

第２図は第１図の機械の平面図である。

第３図は本発明の一実施例のビームスプリッタと反射
手段、およびそれらの間の光路を示す拡大斜視図であ
る。

第４図は第３図に示す装置の平面図である。

第５図は本発明の他の実施例におけるビームスプリッ
タと反射手段およびそれらの間の光路を示す拡大平面
図、 第６図は第５図に示した装置の側立面図、および 第７図は別のビームスプリット装置とそれを通る光路
を示す平面図である。

発明を実施するための最良の形態 図面を参照して、第１図は測定機あるいは工作機械と
して可能な機械を概略的に示し、この機械は運転中にワ
ークピースを搬送可能な構造部材12が固定されたベース
10を有している。キャリッジ14はその機械上に移動可能
に搭載され、機械の運転中に測定プローブあるいは切削
工具を担持する。

キャリッジ14は矢印Ａで示すように軸Ｘに沿って移動
可能であり、このキャリッジの移動の真直度をチェック
する位置、すなわち軸Ｘに対して直角の方向Ｙ（第２図
参照）における横方向の移動をチェックする位置に、本
発明の真直度干渉形システムが搭載されて示されてい
る。

本発明の真直度干渉形システムは単一周波数レーザ20
を包含し、そのレーザ20は干渉計の主軸Ｐに沿って光ビ
ーム22を供給する。たが、デュアル周波数レーザを用い
てもよいことは注意されたい。

この光ビームは２つの直交する偏光成分を有してお
り、補正されたロションプリズム24によって２つの成分
に分離され、２つの出射２次ビーム26および28を形成す
る。２次ビームの１つ26は偏向されずに主軸Ｐ上に残
り、他方、他のビーム28は主軸Ｐから小さい角度θ（例
えば、約１度）偏向される。この１度の偏向は、例え
ば、4mまでの距離を測定する短距離干渉計に対して用い
ることができる。例えば、40mまでの長距離測定には、
偏向角は0.1度まで縮小される。

結合されたプリズムおよび戻し反射器30は２つの２次
ビームの光路上に配置され、それらのビームをプリズム
24へ反射し戻す。戻し反射器によって反射し戻された２
つのビーム32,34（第３図参照）は、出射２次ビーム路
が含まれる面であるＸ−Ｙめから外れ転置された光路に
沿って戻る。この２つの戻りビームはプリズム24内で再
結合されて、第３の直交軸（Ｚ軸）に沿って主軸Ｐから
転置された結合ビーム36を生成する。フォトダイオード
検出器システム38は転置された結合ビームの光路内に配
置される。この検出器システムはビームの２つの偏光成
分からもたらされる干渉縞から、既知の方法で、キャリ
ッジ14のどうような横方向の移動をも示す信号を発生す
る。

この干渉縞は、相対的な横移動が発生したときにプリ
ズム24と戻し反射器30との間の２つの２次ビームの光路
長が相対的に増減することにより生ずる。光路長の変化
は、２つの直交する偏光ビームから成る流動に相対的位
相変位を引き起す。ビームはプリズム内で再結合される
時には干渉しないが、結合ビームは検出器システムにお
いてそれらの偏光を変化させ、干渉を起こし、干渉縞を
発生させる光学装置を通過する。必要な情報はビームス
プリッタ，ポラロイドおよびフォトエレクトリックダイ
オード検出器の適切な組合せを用いた検出装置内で、従
来の方法によって結合ビームから抽出される。

第３図と第４図は、ロションプリズムと戻り反射器
を、これらの間の光路とともに詳細に示したものであ
る。両方の２次ビームにまたがる戻り反射器30は一般的
なルーフトップ反射器であるが、その前面に偏向された
ビーム28を主軸Ｐと平行な方向に向けて偏向するプリズ
ム40を有している。両ビームはプリズムに戻る前に戻り
反射器によって垂直方向に転置される。プリズム40とル
ーフトップ反射器は１個の集合部品としても図示されて
いるが、別々に形成し、かつ、使用してもかまわないの
は勿論である。

上記のような真直度干渉計システムの利点は、戻り結
合ビームが戻り反射器によって転置されて、もとのレー
ザビーム22と干渉しないことである。その上、戻り反射
器は方向誤差、例えばピッチ誤差に対して前述した先行
技術の平面鏡に比べ、より鈍感である。

他の実施例（図示しない）として、ウオラストンプリ
ズムを配置することができ、標準的なウオラストンプリ
ズムの前方または後方のいずれかに、適切な屈折率の１
つまたはそれ以上のプリズムを追加して置くことによ
り、１つの偏向されないビームと１つの偏向されたビー
ムとを生じさせることができる。この追加のプリズムは
ウオラストンプリズムと一体に形成してもよい。

戻り反射器は両２次ビームにまたがる単一のルーフト
ップ反射器として図示されているが、一対のルーフトッ
プ反射器、またはビームスプリッタに向って２次ビーム
を戻すように適切に角度付けられ、かつ、好ましくはい
っしょに堅く結合された一対のコーナキューブ（corner
cube）戻り反射器をそれの代りに用いてもよい。

しかしながら、既述の干渉計システムはデッドパスの
問題を解決していない。これは、ペリスコープ効果を提
供するビームスプリット装置の別の形態を必要とし、そ
の２つの形態を第５図，第６図および第７図に関して以
下に述べる。だが、デッドパス効果を除去するペリスコ
ープ効果の利点は、偏向されないビームを用いないシス
テムに用いることができる点に注目しなければならな
い。

第５図および第６図には、４個の反射面51,52,53およ
び54を有するビームスプリット装置が図示されており、
その中の１つである51はビームスプリッタであり、特に
本実施例では偏向板ビームスプリッタである。これらの
反射面の全ては、分り易くするために第５図には図示し
ない頭部ガラス56と底部ガラス57（第６図参照）に取付
けられることにより、互いに固定関係で具合よく保持さ
れている。

この装置を用いると、レーザからの主光ビーム22は偏
光板ビームスプリッタ51上に指向される。ビームスプリ
ッタ51は主光軸Ｐに沿って第１面で偏光されるビームの
第１部分を透過させ１つの偏向されない出射２次ビーム
55を生じさせる。ビーム22の第２の部分は第１面と直角
な第２面で偏光され、かつビームを反斜面53の方向に偏
向する平らな反射面52の方に向って反射される。２つの
反射面53および54は相対的に方向付けられているので、
反射面52から反射されたビームは反斜面53および54によ
って実質的に直角に偏向される。その反射ビームはビー
ムスプリット装置から出て、第１の出射２次ビーム55の
方向に対して小さな角度θで、かつ距離ｄだけ横方向に
転置された他の出射２次ビーム58を形成する。

第３図および第４図を参照して説明した実施例と同様
に、２つの２次ビームはルーフトップ反射器59の方向に
向けられ、その反射器はその前面に２次ビーム55と平行
な方向に２次ビーム58を折り曲げるプリズム60を有して
いる。ルーフトップ反射器は出射２次ビームと平行では
あるが、それらから転置された光路に沿って戻るビーム
61および62として、両２次ビームをビームスプリット装
置へ向けて反射する。戻りの２次ビーム61と62はビーム
スプリット装置で再結合されて、主軸Ｐと平行であるが
主軸Ｐから転置された方向に沿う単一ビーム63として戻
る。

ペリスコープ効果を備えることによってデッドパスの
問題が解消され、真直度測定装置で戻り反射器とビーム
スプリット装置間を零距離にまで下げることができる。
しかしながら、この実施例で述べた１つまたは２つ以上
の平面鏡の角度を調整することにより、ペリスコープ効
果を用いた利点を維持しながら、両２次ビームを主軸、
または主軸と平行な線に対してある角度で傾けるように
することは容易に可能であろう。

４つの反斜面を用いるなお一層の利点は、ビームスプ
リット装置が横揺れ誤差（すなわち、第５図の紙面に垂
直方向の軸まわりのビームスプリット装置の回転）に対
して影響を受けにくいことである。また、この解決策の
４つの反射面の相対位置はさほど重要ではない。なぜな
ら、整列上のいかなる誤差もマウントされた最後の反射
面の位置合わせによって補正できるからである。従っ
て、反射面の中の１つの反射面のみは高精度に整列させ
なければならない。この実施例の変形例として、出射２
次ビーム55が偏向されたビームの１つであり、ビーム58
が主軸Ｐに対し平行に向けられるのであってもよい。

第７図は別のタイプのビームスプリット装置70を使用
した本発明のさらに他の実施例を示し、この装置もまた
デッドパスの問題を解消するペリスコープ効果を備えて
いる。

この実施例において、主光ビーム22はビーム22の主軸
Ｐに垂直で、平坦な透過面71を通って装置内に向う。偏
光ビームスプリット面72は第１の面で偏光されたビーム
22の第１の部分73を偏向することなしにそのまま透過さ
せる。この偏向されなかった部分は、主軸Ｐに対して垂
直であって平坦な透過面74を通って装置から出て、第１
の出射２次ビーム75を生じさせる。ビーム22の第２の部
分76はビームスプリット面72で反射され、かつ第１面と
直交する第２面で偏光される。反射ビーム76は主軸Ｐに
対して角度αで戻り、ビーム76の光路に対して垂直に配
置されて光の偏光を90゜回転するタイプの鏡77に向う。
従って、ビーム76はビームスプリッタ72に向って反射し
て戻り、偏光の変化のためにビームスプリッタ72を透過
して装置の平坦な透過面78へ向う。ビームはこの面78を
通って屈折され、装置から出て、主軸に対し小さい角度
θをなし、かつ、横方向に距離ｄだけ転置されて進む第
２の出射２次ビーム80を形成する。

この装置の変形例として、出射ビーム75が主軸Ｐから
偏向され、出射ビーム80が主軸Ｐと平行となるように、
反射面および透過面を配置してもよい。

第５図と第６図について述べたと同様に、２つの出射
２次ビーム75,80はループトップ反射器59に指向され、
その反射器で主軸から転置された光路に沿ってビームス
プリット装置70へ向う戻り２次ビーム81および82として
反射して戻される。ビームスプリット装置70において、
それら81,82は再結合されて１つの戻りビーム83とな
り、主ビームの軸Ｐと平行であって横方向に転置された
方向に、ビームスプリット装置から出て行く。さらにま
た、本装置のいくつかの反射面または透過面の角度を変
えることによって、主軸または主軸と平行な線に対して
傾けられた両２次ビームを生じさせながら、この装置に
よって生み出されるペリスコープ効果は維持される。

第５図，第６図および第７図に関して述べた両方の装
置を用いて、ビーススプリット装置とルーフトップ反射
器間の相対的横方向の動きは、２次ビームの相対的光路
長を変化させる。この光路長の変化は適切な検出器の配
設により、戻り結合ビームから生じた干渉縞として検出
することができる。

第５図，第６図および第７図に図示された両方の実施
例を用いて、いわゆる偏向されない出射２次ビームのい
ずれもが主軸と同一線上になく（すなわち、正確に偏向
されてなく）、偏向された２次ビームと偏向されていな
い２次ビームの両方ともが、わずかに横方向に偏位した
主軸の方向（すなわち、主軸と平行）に向けられるとい
うことは可能である。

戻り反射器を用いることにより得られる利点は、偏向
されない２次ビームを生じさせるビームスプリッタと反
射器との組合せに限定されないことである。この利点
は、またウオラストンプリズム、あるいは入射ビームの
主軸に対して同一の発散角度を有する発散２次ビームを
生じさせる他の装置を、ビームスプリッタとして用いる
干渉計システムにおいても得ることができる。

同様に、２次ビームの光路内に配置された反射器の前
方にプリズムを配置することによって得られる利点は、
ルーフトップ反射器の使用に限定されないことである。
プリズムは一対の平面鏡、またはいかなる他のタイプの
戻り反射器といっしょに用いてもよい。

主な利点は、反射器を両方の２次ビームにまたがる単
一の要素として作ることができることであり、かくて、
２つの分離された要素を正確に整列しなければならない
こと、および両者を結合しなければならないという問題
が解消される。また、この単一の要素は、必要に応じ、
主軸に対して種々の角度に配置させることができる。プ
リズムは２次ビームが再結合されるべくビームスプリッ
ト装置へ戻るのを確実にするために２次ビームに必要な
偏向を生じさせるよう設計される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マクマトリー，デイヴィッド ロバーツ 英国 ジーエル12 ７イーエフ グロス ターシャー州 ワットン‐アンダー‐エ ッジ タバナクル ロード 20 (56)参考文献 特公 昭55−36922（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸に沿って直行する１つの光ビームを発
   生する１つの光源と、 前記光ビームから２つの出射２次ビームを生成するビー
   ムスプリット手段であって、少なくともその１つの２次
   ビームは該ビームスプリット手段から前記主軸に対して
   小さな角度で離れる方向に向かうビームスプリット手段
   と、 該ビームスプリット手段から前記主軸の方向に沿って間
   隔を置いて、前記２つの２次ビームを該ビームスプリッ
   ト手段へ戻すために該２つの２次ビームの光路中に配置
   された反射手段であって、その２つの戻り２次ビームが
   前記ビームスプリット手段で再結合されて１つの結合ビ
   ームに形成させるための反射手段と、 前記結合ビームを受取って該結合ビームから前記ビーム
   スプリット手段と前記反射手段間における前記主軸に対
   しての横方向の相対移動を示す信号を生成する検出系と
   から構成され、 前記反射手段は前記２つの２次ビームの光路を横断して
   広がる十分な長さの少なくとも１つの平面反射面から成
   り、かつ前記２つの２次ビーム間に平行を生じさせるた
   めに該２次ビームを少なくとも１つの光路内の前記ビー
   ムスプリット手段と前記反射手段間に１つのプリズムが
   配設された真直度干渉計システム。
2. 【請求項２】前記ビームスプリット手段は２次ビームを
   生成し、その両方の２次ビームとも前記主軸に対して小
   さな角度で該ビームスプリット手段から離れる方向に向
   かい、該主軸の向か側にある請求の範囲第１項に記載の
   真直度干渉計システム。
3. 【請求項３】前記反射手段は前記主軸に対して垂直な面
   に配置された単一の反射面から成る請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載の真直度干渉計システム。
4. 【請求項４】前記反射手段は１つのルーフトップ・リト
   ロレフレクターを形成する直角に配置された２つの細長
   い平面反射面からなる請求の範囲第１項または第２項の
   いずれかの項に記載の真直度干渉計システム。
5. 【請求項５】前記ビームスプリット手段はロションプリ
   ズムまたはウオラストンプリズムから成る請求の範囲第
   １項乃至第４項のいずれかの項に記載の真直度干渉計シ
   ステム。
6. 【請求項６】前記反射手段と前記プリズムは結合して単
   一の一体部品に形成されている請求の範囲第１項乃至第
   ５項のいずれかの項に記載の真直度干渉計システム。
7. 【請求項７】単一のルーフトップ・リトロレフレクター
   とプリズムとから成る光学部品であって、該ルーフトッ
   プ・リトロレフレクターとプリズムは一体に結合されて
   単一部品となり、かつ該プリズムは使用中に２つの分岐
   した入射光ビームのそれぞれ１つを受ける２つの表面を
   有し、これら表面は各々互いの表面に対しておよび該入
   射光ビームに対してある角度をなし、それにより該光ビ
   ームの少なくとも１つが前記表面で他の前記光ビームの
   方へ向かって屈折され、その結果前記プリズムを通過後
   の両方のその光ビームが前記ルーフトップ・リトロレフ
   レクターの反射面に当たってから前記入射光ビームの方
   向に対して逆方向ではあるが平行な方向に、かつその入
   射光ビームから横位置にずれて再帰する光学部品。
8. 【請求項８】前記プリズムの前記２つの表面はそれぞれ
   互いの表面に対してまた前記入射光ビームに対してある
   角度に置かれ、それによりそれら入射光ビームの両方が
   それら表面で屈折される請求の範囲第７項に記載の光学
   部品。
9. 【請求項９】主軸（Ｐ）に沿って１つの光ビームを発生
   する１つの光源と、 前記光ビームから２つの出射２次ビームを生成するビー
   ムスプリット手段と、 該ビームスプリット手段から前記主軸（Ｐ）の方向に沿
   って間隔を置いて、かつ前記２つの２次ビームを該ビー
   ムスプリット手段へ戻すために該２つの２次ビームの光
   路中に配置された反射手段であって、その２つの戻り２
   次ビームが前記ビームスプリット手段で再結合されて１
   つの結合ビームに形成されるための反射手段と、 前記結合ビームを受取って前記ビームスプリット手段と
   前記反射手段間における前記主軸に対しての横方向の相
   対移動を示す信号を生成する検出系とから構成され、 前記２次ビームの内の第１のビームは前記主軸と平行な
   方向に向けられ、前記２次ビームの他の１つのビームは
   前記主軸に対して平行でないように小さな角度で偏向さ
   れる真直度干渉計システム。
10. 【請求項１０】前記２次ビームの内の前記第１のビーム
    は前記主軸と同一直線上に向けられ、前記２次ビームの
    他の１つのビームは該主軸から小さな角度で偏向される
    請求の範囲第９項に記載の真直度干渉計システム。
11. 【請求項１１】前記ビームスプリット手段は前記２次ビ
    ームの１つのビームを前記主軸を横切って変位させるよ
    うに配列された反射面を備えた請求の範囲第９項または
    第10項に記載の真直度干渉計システム。
12. 【請求項１２】前記２次ビームの前記第１のビームが前
    記主軸と同一直線上に向けられ、 前記偏光されたビームがその主軸から横に変位される請
    求の範囲第11項に記載の真直度干渉計システム。
13. 【請求項１３】前記ビームスプリット手段は、 前記主軸Ｐに対して斜めの角度に配置され、前記入射光
    ビームから光線の第１部分を透過して前記主軸と同一線
    上に第１の偏光状態で前記第１の２次ビームを形成し、
    かつ前記入射光ビームから光線の第２部分を第２の直行
    偏光状態で反射する偏光ビームスプリッタと、 前記反射された光線ビームの光路に対して垂直な面に配
    置され、変化させた偏光状態で該光線を前記偏光ビーム
    スプリッタへ戻し、それによりその光線が該偏光ビーム
    スプリッタを透過し、前記主軸に対して小さい角度で、
    該主軸から横にずらされた状態で当該ビームスプリット
    手段から出射して、前記２次ビームの内の前記偏向され
    たビームを形成する偏光平面鏡と を包含する請求の範囲第11項に記載の真直度干渉計シス
    テム。
14. 【請求項１４】前記偏向された２次ビームは平らな透過
    面を通るとともに該面で屈折を受けて前記ビームスプリ
    ット手段から出射する請求の範囲第13項に記載の真直度
    干渉計システム。
15. 【請求項１５】前記反射手段は前記２次ビームの両方の
    光路にまで広がる単一の反射要素から成り、かつ １つのプリズムが前記ビームスプリット手段と該単一の
    反射要素間の前記２次ビームの少なくとも１つのビーム
    の光路内に配設されて前記２次ビームが前記単一の反射
    要素上に当たる前に平行となるように前記２次ビームの
    前記他の１つのビームを偏向する請求の範囲第９項乃至
    第14項のいずれかの項に記載の真直度干渉計システム。
16. 【請求項１６】前記単一の反射要素は前記主軸に対し垂
    直な面に配置され、また前記プリズムは前記偏向された
    ２次ビームを該主軸に平行な方向に偏向する請求の範囲
    第15項に記載の真直度干渉計システム。
17. 【請求項１７】前記反射手段はリトロレフレクターから
    成る請求の範囲第９項乃至第16項のいずれかの項に記載
    の真直度干渉計システム。
18. 【請求項１８】前記リトロレフレクターはルーフトップ
    ・リトロレフレクターである請求の範囲第17項に記載の
    真直度干渉計システム。
19. 【請求項１９】前記単一の反射要素と前記プリズムは単
    一の一体部品に形成されている請求の範囲第15項に記載
    の真直度干渉計システム。