JP3739121B2 - レーザ測長機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光のダブルパスによって測定精度をさらに向上させることができるレーザ測長機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ測長機は、精密Ｘ−Ｙテーブルの移動長さの精密測定などに使用されている。この種のレーザ測長機の一般的な構成を図４に示している。同図に示すレーザ測長機は、レーザヘッド１と、干渉計２（具体的には、偏光ビームスプリッタ）と、測定対象物である移動体３上に設置される反射ターゲット４（具体的には、コーナープリズム）と、測長光学系５および参照光用プリズム６とから構成されている。
【０００３】
この測長機においては、レーザヘッド１から発射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２に入射し、この偏光ビームスプリッタ２で反射光と透過光とに分割され、透過光が測定光としてコーナープリズム４を照射するとともに、反射光が、参照光としてプリズム６を照射する。コーナープリズム４およびプリズム６からの反射光は、再び偏光ビームスプリッタ２に入射し、この偏光ビームスプリッタ２で干渉させられ、干渉光が測長光学系５に入射する。
【０００４】
干渉光を受けた測長光学系５では、干渉縞を検出，計数することにより、干渉計２からコーナープリズム４までの距離Ｌを演算する。このような構成の測長機における分解能は、通常、０．０１μｍ程度であり、精度の高い測定を行うことができる。
一方、この分解能をさらに向上させるための手法として、プレーンミラー（平面鏡）を用いたダブルパス方法がある。図５は、そのダブルパス方式による測定系を示すものである。図における干渉計は、図４の構成に加え、偏光ビームスプリッタ２の下部にもプリズム６を配置するとともに、偏光ビームスプリッタ２の前面に１／４λ板７を配置している。また、移動体３の測定位置には、コーナプリズム４に換えてプレーンミラー８を対向配置している。
【０００５】
この構成においては、レーザ光のうちの参照光▲１▼は、前記測長機と同様に偏光ビームスプリッタ２内で反射して、偏光ビームスプリッタ２に戻る。これに対し、偏光ビームスプリッタ２を透過した測定光▲２▼は、１／４λ板７を通過することにより円偏光となってプレーンミラー８を照射する。プレーミラー８からの反射光▲３▼は、再び１／４λ板７を通過して偏光ビームスプリッタ２に入射する。
【０００６】
この入射光は、参照光▲１▼と同じく９０°傾いた直線偏光であるため、偏光ビームスプリッタ２内で反射し、下部側のプリズム６に入射する。この入射光▲４▼は、プリズム６で反射して、再び偏光ビームスプリッタ２に入射し、偏光ビームスプリッタ２内で反射した後の反射光▲５▼は、１／４λ板７を通過して、測定光▲２▼と平行にプレーンミラー８を照射する。
【０００７】
プレーンミラー８からの反射光▲６▼は、反射光▲５▼と同じ光路上を通って、再び１／４λ板７を通過することで、さらに９０°傾いた直線偏光となって偏光ビームスプリッタ２に戻るので、今度は、偏光ビームスプリッタ２を透過し、この部分で参照光▲１▼と合成されれて、干渉させられる。
この構成においては、測定光の光路長がシングルパスの場合に比べて二倍となるため、実質上、同一測長距離Ｌの二倍の長さを計測することになり、従ってその分解能は、シングルパスの場合よりも向上して０．００５μｍ程度となり、さらに測長精度を高くすることができるため、超精密測定に好適である。
【０００８】
しかしながら、この構成においては、反射ターゲットとしてプレーンミラー８を用いているため、次に述べる欠点が指摘されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、プレーンミラー８を用いた場合には、図６に示すように、プレーンミラー８の鏡面が、干渉計２の光軸に対して正確に正対配置されていないと、反射光がずれやすく、測長光学系での受光量が不足する原因となる。このため、この種のダブルパス方式の測長機では、アライメント作業に高精度が要求されるので、手間や時間がかかっていた。
【００１０】
また、アライメント作業を非常に厳密に行ったとしても、被測定物である移動体がピッチング、ヨーイングなどの角度運動を行うと、アライメントがずれ、受光量不足により受光感度が低下する欠点があった。
この発明は、以上の欠点を解決するものであって、その目的とするところは、アライメント作業が簡単で、アライメントのずれのないレーザ測長機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、この発明のうち請求項１記載の発明は、レーザヘッドから出射されたレーザ光を、干渉計を介して一対の反射ターゲットに測定光または照射光として照射し、これらの反射ターゲットからの反射光を前記干渉計で相互に干渉させ、得られた干渉光に基づいて測距するレーザ測長機において、 前記反射ターゲットの少なくとも前記測定光が照射される反射ターゲットをコーナープリズムで構成するとともに、前記干渉計の近傍に、前記コーナープリズムの反射光を受け、この反射光と同一光路上に入射光を反射させる小型コーナープリズムを設けた。
請求項１の構成によれば、光路長を二倍とし、しかも、反射用のターゲットにコーナープリズムを使用することができるので、アライメント作業の簡素化と、移動体のピッチング，ヨーイングなどによる受光光量の減少を防止できる。
また、請求項２の発明においては、前記反射ターゲットは、上下方向の同軸上に配置されたコーナープリズムから構成され、前記コーナープリズムを移動体などの測定対象物上に設けるとともに、これらの各コーナープリズムからの反射光を受け、各反射光と同一光路上に入射光を反射させる一対の小型コーナープリズムを設けた。
この構成によれば、測定対象物のピッチング，ヨーイングなどの角度を超高精度に測定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、この発明に係るレーザ測長機の一実施例を示している。なお、以下の説明においては、従来と同一若しくは相当する部分には同一符号を付し、異なる部分にのみ異なる符号を付して説明する。
【００１３】
図１に示した測長機における干渉計１０は、ハウジング内にあって、三角プリズム部１２ａと平行四辺形のプリズム部１２ｂとを一体化した偏光ビームスプリッタ１２と、偏光ビームスプリッタ１２のプリズム部１２ｂの前面及びプリズム部１２ａの底面にそれぞれ配置された一対の１／４λ板１６ａ，１６ｂと、１／４λ板１６ｂの下方に配置されたコーナプリズム１８（反射ターゲット）及びハウジングの上部前面に配置された小型コーナプリズム２０とを備えている。
【００１４】
プリズム部１２ｂ側に設けられた１／４λ板１６ａの前面は、移動体３の上部に固定配置された反射ターゲットであるコーナプリズム４に対向しているとともに、前記小型コーナプリズム２０は、コーナプリズム４の反射光軸と同軸上に対面し、かつ、干渉計１０内のプリズム部１２ｂの近傍に設置されている。
この小型コーナープリズム２０は、コーナープリズム４からの反射光を受け、この反射光と同一光路上に入射した光を反射する。
【００１５】
以上の構成において、レーザヘッド１から発射されたレーザ光のうち、参照光▲１▼は、偏光ビームスプリッタ１２によって下部側に反射し、１／４λ板１６を通過することで、円偏光となり、コーナプリズム１８で反射し、再び１／４λ板１６を通過して偏光ビームスプリッタ１２内に入射する。
このような光路で入射する参照光▲１▼は、１／４λ板１６を２度通過することで、元の偏光角度から９０°回転させられるので、偏光ビームスプリッタ１２に入射すると、今度は下から上に通過し、プリズム部１２ｂで９０°反射して、測長光学系５に入射する。
【００１６】
また、偏光ビームスプリッタ１２を通過する測定光▲２▼は、１／４λ板１６を通過することで、円偏光となってコーナプリズム４に入射する。コーナープリズム４側に入射した測定光▲２▼の反射光▲３▼は、上方に変移して小型コーナープリズム２０にのほぼ中心に入射する。小型コーナープリズム２０からの反射光▲４▼は、反射光▲３▼と同一光路上を通って、再びコーナープリズム４に入射し、コーナープリズム４からの反射光▲５▼は、測定光▲２▼と同じ光路を辿って、再び１／４λ板１６を介して偏光ビームスプリッタ１２内に入射する。
【００１７】
これによって測定光▲２▼は、１／４λ板１６を二回通過することになり、もとの偏光角度に対し９０°傾いた直線偏光となるので、偏光ビームスプリッタ１２内で反射して、この部分で合成される参照光▲１▼と干渉させられ、これらの干渉光▲６▼が測長光学系５に受光されることになる。
このように構成された測長機によれば、測定光▲２▼の光路長がシングルパスの場合に比べて二倍となるため、同一測長距離Ｌの二倍の長さを実質的に計測することになり、その分解能は、プレーンミラーを用いた場合と同様に、０．００５μｍ程度となる。またこれに加え、図２に示すように、コーナプリズム４は多少傾いたとしても、その入光及び反射光軸は不動であるため、十分な光量で測長光学系５に受光させることができる。
【００１８】
従って、これによってアライメント作業が簡略化されるとともに、移動体３のピッチング、ヨーイングなどによる光量変動がなく、感度を一定に保持することができ、安定な測定を行うことができる。
図３は、この発明にかかる測長機の他の実施例を示している。同図に示す測長機は、この発明を角度光学測定系に適用した場合であり、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示した実施例では、偏光ビームスプリッタ３０は、上下方向に一辺を密着するように配置された平行四辺形状のプリズム部３２を一対有している。
【００１９】
各プリズム３２の出射面側には、１／４λ板１６ｃ，１６ｄがそれぞれ配置され、各１／４λ板１６ｃ，１６ｄには、移動体３側に設けた一対のコーナプリズム４ａ，４ｂが対向配置されている。また、偏光ビームスプリッタ３０の前部側には、これに近接するようにして、各コーナプリズム４からの入射光を同一光路上に反射する一対の小型コーナプリズム２０ａ，２０ｂが配置されている。
【００２０】
このように構成された測長機においては、例えば、図４に示すように、コーナープリズム４を鉛直方向の同軸上に配置して、移動体３上に設置すると、偏光ビームスプリッタ３０で分光された透過および反射光は、それぞれコーナプリズム４ａ，４ｂと小型コーナプリズム２０ａ，２０ｂとの間で往復して、しかも、コーナプリズム４ａ，４ｂと１／４λ板１６ｃ，１６ｄとの間で往復した後に、偏光ビームスプリッタ３２に入射し、偏光ビームスプリッタ３２で相互に干渉させて、測長光学系５に受光される。
【００２１】
このとき、上下方向のコーナープリズム４ａ，４ｂ間にに角度変移があると、測長光学計５で受光される干渉光の干渉状態が変化するので、この変化を検出すると、移動体３の平面度を測定できる。
この場合において、従来のシングルパスの分解能は０．０６秒（角度）であるが、本実施例の測長機では、実質的な測長距離を二倍になるので、分解能をその半分の０．０３秒までに向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上各実施例により詳細に説明したように、この発明に係るレーザ測長機にあっては、光路長を二倍とし、しかも反射用のターゲットにコーナプリズムを使用することができ、アライメント作業の簡素化と、移動体のピッチング、ヨーイングなどによる受光光量の減少を防止でき、常時一定の感度で測定を行うことができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかるレーザ測長機の一実施例を示す光学系の説明図である。
【図２】コーナプリズムの傾きと受光及び反射光軸との関係を示す説明図である。
【図３】この発明を角度光学系に適用した場合の他の実施例を示す光学系の要部説明図である。
【図４】従来のシングルパス型の測長機の光学系の説明図である。
【図５】従来のダブルパス型の測長機の光学系の説明図である。
【図６】プレーンミラーの傾きによる受光及び反射光軸の影響を示す説明図である。
【符号の説明】
１ レーザヘッド
３ 移動体
４ コーナプリズム
５ 測長光学系
１０ 干渉計
１２ 偏光ビームスプリッタ
２０ 小型コーナプリズム

Claims (2)

1. レーザヘッドから出射されたレーザ光を、干渉計を介して一対の反射ターゲットに測定光または照射光として照射し、これらの反射ターゲットからの反射光を前記干渉計で相互に干渉させ、得られた干渉光に基づいて測距するレーザ測長機において、
   前記反射ターゲットの少なくとも前記測定光が照射される反射ターゲットをコーナープリズムで構成するとともに、前記干渉計の近傍に、前記コーナープリズムの反射光を受け、この反射光と同一光路上に入射光を反射させる小型コーナープリズムを設けたことを特徴とするレーザ測長機。
2. 前記反射ターゲットは、上下方向の同軸上に配置されたコーナープリズムから構成され、前記コーナープリズムを移動体などの測定対象物上に設けるとともに、これらの各コーナープリズムからの反射光を受け、各反射光と同一光路上に入射光を反射させる一対の小型コーナープリズムを設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ測長機。

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