JP4809578B2 - 位置測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学に基づいて高精度に位置を測定するための位置測定装置が公知である。これらの位置測定装置は、シフト（ｖｅｒｓｃｈｉｅｂｕｎｇ−） に依存した出力信号を生成するために様々に重畳する部分ビーム間の干渉現象を利用する。このような位置測定装置では、十分なコヒーレント特性を呈するビームを供給するレーザが光源として多くの場合に使用される。例えば、ガスレーザや固体レーザ又は半導体レーザつまりレーザーダイオードが使用できる。ガスレーザや固体レーザは、例えば干渉計として構成された位置測定装置内で使用される。半導体レーザつまりレーザーダイオードは、シフトに依存した出力信号を生成するために特に１つ又は多数の格子を有する位置測定装置内で使用される。それぞれの波長が変化する場合、エラー測定が位置測定時に発生するので、供給される波長の安定化が双方のレーザ方式で必要である。
【０００３】
特に干渉計に接続して使用した場合、生成される波長の緩やかなドリフトが、測定される位置を変動させる；格子位置測定装置の場合、これに相当する影響は、この緩やかなドリフトに関してはより僅かである。
【０００４】
例えば非常に短期間の相対測定を実施するだけで済む場合は、それぞれの波長の緩やかなドリフトは多くの測定状況でほとんど影響しない。これに対して、急激な変化がそれぞれの波長で発生することが、これらの応用においても重要である。このことは、各種のタイプの単一モード・レーザーでも、すなわちガスレーザや固体レーザや半導体レーザでも起こる。これに対する理由は、強度分布と共振モードが温度やその他の影響値によっていろいろに左右されることにある。強度分布の最大が或る共振モードから遙かにずれていると、レーザの波長が、隣接した共振モードに飛ぶ。一般に温度が、これに対する主な原因である。
【０００５】
この問題を解決する第１の可能性は、米国特許発明第５，１６１，１６５号明細書中で開示されているように、波長をそれぞれのレーザ側で安定化することにある。この明細書では、レーザーダイオードの多モード動作を外部のエタロンによって適切に抑制することが提唱されている。しかしながらこの方法は、比較的大きい経費がかかる。
【０００６】
また、いわゆる単一モード・レーザーダイオードの代わりに多モード・レーザーダイオードを使用することが、例えば米国特許発明第 ５，１９８，８７３号明細書から公知である。この多モード・レーザーダイオードは、比較的狭いモードスペクトルを有し、温度変動が小さい場合に波長変化をほんの僅かにする。しかしながら、特に光源のビームが光ファイバを通じて信号生成手段を有する走査ヘッドに供給しなければならない場合、このような多モード・レーザーダイオードは、必要なビーム出力を供給しない。位置測定装置の走査ヘッドが１０ｍＷのビーム出力を必要とする場合、このような光源は使用できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光源が十分な出力効率を有し、かつ場合によっては起こりうる温度変化時でも検出した波長を可能な限り急激に変化させない位置測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の特徴を備えた位置測定装置によって解決される。
【０００９】
本発明の位置測定装置の好適な実施形は、請求項１の従属請求項中に説明されている手段によって実現される。
【００１０】
十分な出力効率を有する単一モード・レーザー光源が、光源として本発明にしたがって使用される。狭く隣接した多数の外部モードの励起が単一モード・レーザー光源内で起き、その結果単一モード・レーザー光源の擬似多モード動作が発生するように、この単一モード・レーザー光源は、フィードバック手段と相互に作用する。以下では、これに関連して多モード動作だけを説明する。
【００１１】
特に、単一モード・レーザーダイオード、すなわち半導体レーザは、単一モード・レーザー光源として本発明の位置測定装置内で使用される。しかしながら基本的には、ガスレーザや固体レーザのようなその他のレーザのタイプも使用され得る。
【００１２】
単一モード・レーザーが単一モード・レーザー光源を多モード動作に移行する程度に、レーザー動作の干渉（Ｓｔｏｅｒｕｎｇ）が、検出されたビームを単一モード・レーザー光源の共振器に適切にフィードバックさせることによって発生する。この場合、結果として発生したモードスペクトルは非常に狭い；同時に、隣接した多数のモードが確保されている。このとき、場合によっては起こりうる温度変化が、望まない結果を伴うモード・ホップを生じさせるのではなくて、関与した狭く分布するモードの温度に依存した緩やかな飛び移りだけが起こる。したがって、場合によっては起こりうる温度変化が、光源の出力波長に対してより僅かしか影響しない。同時に、例えば生成されたビームを光ファイバ経由で走査ヘッドに供給するため、単一モード・レーザー光源は、十分なビーム出力を供給する。
【００１３】
単一モード・レーザー光源がフィードバック手段と相互に作用するこのフィードバック手段に関しては、いろいろな構成が可能である。これらの構成は、提示されている要求に応じて実現可能である。
【００１４】
本発明の手段は、シフトに依存した出力信号を生成する１つ又は多数の格子が使用され、スケール格子の目盛周期が測定規準としての機能を果たす位置測定装置と関連させて使用することができる。これとは別に、本発明の位置測定装置を干渉計として構成してもよい。干渉計の場合、光源によって生成されたビームの波長が測定規準として使用される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のその他の利点及び詳細を図面に基づく実施の形態から説明する。
【００１６】
図１中には、本発明の位置測定装置の実施の形態の完全に展開した走査ビームの軌跡が概略的に示されている。この実施形の場合、位置測定装置が干渉原理に基づく。この位置測定装置は、特に信号を生成する多数の格子を使用する。使用される光源に関連して本発明の手段を引き続き詳しく説明する前に、以下で信号生成の原理を簡潔に説明する。
【００１７】
本発明の位置測定装置は、単一モード・レーザー光源の形態の光源１を有する；この示された実施の形態では、この単一モード・レーザー光源はここでは単一モード・レーザーダイオードとして構成されている。この単一モード・レーザーダイオードが放出したビームは、光ファイバ２を通じて後続配置された要素に供給される；これらの要素を以下の説明中では信号生成手段と定義し、またシフトに依存した出力信号を生成するために使用される。既に冒頭で説明したように、この説明した実施形とは違って、信号生成手段をその他の方法で、例えば公知の干渉計等で構成してもよい。
【００１８】
図１の実施の形態では、光ファイバ２から供給されたビームが、コリメータ３と偏光子４を経由してスケール格子５に到達する。走査格子６が、スケール格子５に後続配置されている。この走査格子６は、リッジプリズムの形態をした再反射要素７に面して配置されている。さらに１／４波長板として形成された２つのさらなる偏光光学要素８．１，８．２が、リッジプリズムに接して配置されている。この示した実施形では、もう１つの格子９及び多数の偏光子１０．１，１０．２，１０．３が検出側に設けられている。これらの偏光子１０．１，１０．２，１０．３の同様な光ファイバ１２．１，１２．２，１２．３が後続配置されている。シフトに依存した出力信号Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°が、これらの光ファイバ１２．１，１２．２，１２．３で発生する。
【００１９】
図１の位置測定装置の投影図が、図１中に示されている。特に信号生成手段の３次元配置が、この図から分かる。
【００２０】
光源１のビームは、この具体的な実施形では光ファイバ２を経由して走査ユニット１０に供給される。すなわち、光ファイバの出射面２．２が、走査ユニット１０に接続されている。入射側では、光源１が一定の３次元配置で入射面２．１に向かって配置されている。走査ユニット１０は、上述した信号生成手段の一部を有する。この信号生成手段の一部には、再反射要素７のほかに走査格子６及び偏光光学要素８．１，８．２，つまり１／４波長板をさらに有する。
【００２１】
同様に図２から分かるように、走査ユニット１０が、スケール格子５に対してｘ方向にシフト可能に配置されている。その結果、２つの被測定物が、一方では走査ユニット１０に接合されていて、他方ではスケール格子５に接合されている。これらの両被測定物の相対位置が、本発明の位置測定装置によって測定することができる。
【００２２】
さらに、光源１と同様に検出要素１２．１，１２．２，１２．３も、走査ユニット１０から空間的に離れて配置されていることが分かる。検出すべきビームが、結果として生じるスケール格子５と走査格子６との相互作用にしたがって光ファイバ１１．１，１２．２，１２．３経由で走査ユニット１０から検出要素１２．１，１２．２，１２．３に入射される。これらの両被測定物つまり走査ユニット１０とスケール格子５が相対運動する場合、シフトに依存した周期的な出力信号Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°が、検出要素１２．１，１２．２，１２．３によって検出可能である。同様に、これらの検出された出力信号Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°は、再処理のために検出要素１２．１，１２．２，１２．３から−図示しなかった−順次電子機器に入力される。
【００２３】
本発明の位置測定装置の具体的な信号生成に関しては、最終的には国際特許発明第０２／２３１３１号明細書をこの点に関して補足参照のこと。
【００２４】
以下で、本発明の手段を第１の実施の形態で使用する光源に関して図３に基づいて説明する。既に上述したように、例えばサンヨーセミコンダクターカンパニーから型式ＤＬ ７１４０−２０１で入手可能であるような、単一モード・レーザーダイオードが使用される。
【００２５】
適切なレンズ又は場合によっては多重レンズの形態の入射光学系１．１が光源１の前方に配置されている。光源１から放出されたビームが、この入射光学系１．１を通過して光ファイバ２の入射面２．１へ焦点合わせされる。ビームが、出射面２．２からの出射後に光ファイバ２によって既に説明した信号生成手段に入力される；信号生成手段は、図３中には示されていない。
【００２６】
図３の例でも別の実施の形態でも、使用される単一モード・レーザー光源、つまりこの例では単一モード・レーザーダイオードを多モード動作で作動させるため、光源１に対して設けられているフィードバック手段が付加的にそれぞれ使用される。この多モード動作には、放射されるビームの波長λの温度依存性に関して利点がある。外部共振器がそれぞれ、フィードバック手段によって構成される。
【００２７】
−明らかにより小さい内部共振器の長さＬ ＩＮＴ によるような−ただ１つのモードだけが励起されるのではなくて、統計学的に変動するものの、常に同時に励起する多数のモードが励起するという所定のやり方で、この共振器の共振器の長さＬ ＥＸＴ が選択される。その結果、実際の単一モード・レーザーダイオードが、（擬似）多モードに動作する。この（擬似）多モード動作の場合、温度が及ぼす波長の変動に対する良好な安定性のほかに、十分なビーム出力効率も保証されている。したがって−回避できない−温度変化の場合でも、特にモード・ホップ、すなわち放出されたビーム波長λ中でのホップがもはや発生しない。そのため、全ての関与した狭く分布したモードが温度によって緩やかにかつ連続して飛び移るために、放出されたビーム波長λが変動しない。
【００２８】
図４ａ中では、温度変化前の本発明にしたがって稼働される図１の単一モード・レーザーダイオードの結果として生じるモードスペクトルを概略的に示す。ここでは、結果として生じるモードの分布が狭いことが分かる。外部共振器の長さが明らかにより大きいためにＬ ＥＸＴ ≒１−１０ｍ、これらのモードの相互の波長間隔は、Δλ≒２＊１０−４ｎｍしかない。本発明の手段がない場合、単一モード・レーザーダイオードの明らかにより小さい内部共振長さＬ ＩＮＴ ≒１−２ｍｍに対しては、隣接したモードの相互の波長間隔Δλが前者に比べて約Δλ≒０．２ｎｍ−０．３ｎｍである。
【００２９】
図４ｂ中には、場合によっては起こり得る温度変化後のモードスペクトルが示されている。温度変化後の強度分布内での異なるモードの飛び移りを図４ａと図４ｂの個々のモード間の破線で示された接続線によって示す。
【００３０】
いろいろな実施可能性が、外部共振器の構成に対してつまり適切なフィードバック手段の構成に対して可能である。上述した事は、これらの構成を通じて発生する。図３に示された例では、部分反射する再反射要素がフィードバック手段として単一モード・レーザーダイオードの外側に設けられている。この部分反射する再反射要素は、光ファイバの出射面２．２によって形成される。したがって、外部共振器はこの実施の形態では、一方で光ファイバの出射面２．２を有する。この出射面２．２は、放射されたビームの一部を単一モード・レーザーダイオード中に再び反射させる。他方でこの外部共振器は、反射面１．２を単一モード・レーザーダイオードの内部に有する。このとき、上述したように、隣接した励起されたモードの微少な波長間隔Δλが、共振器の長さＬ ＥＸＴ によって与えられている。
【００３１】
光ファイバの出射面２．２は、この実施の形態では当たるビームの強度のうちの所定の割合を単一モード・レーザーダイオード中に再反射させる；その他の手段がない場合、この再反射の強度は、ビーム出力の約４％である。このことは、本発明の単一モード・レーザーダイオードの動作に対して十分である；場合によっては、より微小な反射ビーム出力でも十分である。しかしながら要求に応じて、ビーム強度のより大きい割合を反射させてもよい。光ファイバの出射面２．２の再反射特性を実現するため、この出射面２．２をさらに良好に反射するように形成してもよい；これとは別に、光ファイバの出射面２．２の一部を反射防止加工等を施してもよい。したがって、光ファイバの出射面２．２の反射面が適切に実現可能であるような、当業者に周知ないろいろな可能性が、このような外部共振器を構成するために存在する。
【００３２】
図３の構成の場合、使用される入射光学系の表面が、反射防止膜を有するとさらに好ましいことが実証されている。これによって、重要でないビーム成分が、この表面から単一モード・レーザーダイオード中に反射されないことが保証される。既に説明したように、隣接したモードの目的とする相互の狭い波長間隔Δλが微小である程、外部共振器の長さＬ ＥＸＴ は長く選択される。
【００３３】
図３の実施の形態とは違って、使用される光ファイバ２の入射面２．１も、少なくとも部分的に反射する再反射要素つまりフィードバック手段として機能できる。光ファイバの出射面２．２は、この場合は特に完全に反射防止加工して構成する必要がある。その一方で光ファイバの入射面２．１は、ビームの少なくとも一部を単一モード・レーザーダイオードの方向に再び反射させる。このとき、この外部共振器は、光ファイバの入射面２．１と単一モード・レーザーダイオードの内部反射面１．２とによって構成される。先の例と比較すると、これに応じて光ファイバ２の長さだけ短い外部共振器の長さＬ ＥＸＴ が得られる。
【００３４】
以下で、フィードバック手段、すなわち外部共振器を構成するその他の可能性をさらに説明する。単一モード・レーザー光源つまりこの例では単一モード・レーザーダイオードの本発明の多モード動作が、これらの可能性によって実現可能である。図５ａの別形態では、光ファイバが光源１１と入射光学系１１．１に後続配置されている。この光ファイバは、２つのファイバ部分１２ａ，１２ｂから構成されている。これらの両ファイバ部分１２ａ，１２ｂの終端面１２．３，１２．４は、適切な−図示しなかった−コネクタによって互いに連結している。しかしながら、これらの両終端面１２．３，１２．４の一方の終端面の一部が、金属で被覆されている。したがって、この終端面の一部は、共振器の長さがＬ ＥＸＴ である外部共振器を構成するための部分反射する外部要素として機能している。例えば二重レンズ状の入射光学系１１．１の側面のような残りの平坦面又は光ファイバの入射面１２．１及び光ファイバの出射面１２．２が、透過性に被覆されている。
【００３５】
図５ｂ中には、フィードバック手段を構成するもう１つの可能性が概略的に示されている。ここでは、二重レンズ状の入射光学系２１．１の平坦面２１．１ａが、部分反射する反射面として使用される。この目的のためには、この平坦面２１．１ａを無反射に被覆しないことで十分である。長さＬ ＥＸＴ の外部共振器が構成されるように、単一モード・レーザーダイオードとして構成された光源２１方向への再反射が発生する。後続配置された光ファイバ２２の側面に対するその他の手段は必要ない。
【００３６】
図５ｃの構成によれば、無反射に被覆された入射光学系３１．１と光ファイバ３２が、単一モード・レーザーダイオードの形態をした光源３１に後続配置されている。ビームを放射状に形成するもう１つのレンズ３３が、光ファイバ３２の出射面３２．２に隣接して配置されている。このレンズ３３は、出射面３２．２から離れている。レンズ３３は平坦面３３．１を有する。この平坦面３３．１は、部分反射する再反射要素として機能し、かつ当たったビームの一部を単一モード・レーザーダイオードの共振器の方向に再反射させる。その結果、共振器の長さＬ ＥＸＴ の外部共振器が同様に構成される。この目的のためには、レンズ３３の平坦面３３．１を無反射に構成することで十分である。
【００３７】
部分反射する再反射要素の形態のフィードバック手段に関する別の構成の可能性が、図５ｄ中に示されている。２本又は場合によっては多数のファイバ部分４２ａ，４２ｂを束ねた２つ又は場合によっては多数の部分から成る１本の光ファイバが、光源４１と入射光学系４１．１に後続配置されている。図５ａの別形態とは違って、ファイバ部分の対向する終端面４２．３，４２．４がコネクタを介さないで互いに直接的に連結している。空隙が、これらの終端面の間に設けられている。その結果、当たったビームの一部の共振器の方向への再反射が、第１の終端面４２．３の面で起こる。共振器の長さＬ ＥＸＴ が、図５ｄ中に同様に示されている。
【００３８】
図５ｅの別形態では、ビームスプリッタ５４を光源５１と入射光学系５２．１との間に配置することが提唱されている。このビームスプリッタ５４は、入射するビーム強度の一部を出射させ、反射格子５５の方向に反射させる；入射したビームは、反射格子５５によって共振器の方向に再反射する。
【００３９】
フィードバック手段を構成する−図示しなかった−その他の別形態では、部分反射するミラーを単一モード・レーザーダイオードの共振器の外側に配置すること、及び入射したビームの一部を同様に再びフィードバックさせることが可能である。
【００４０】
説明したこれらの別形態のほかに、フィードバック手段を構成する可能性が、本発明の範囲内で明らかにまださらに存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の位置測定装置の実施形の走査ビームの軌跡の概略図である。
【図２】 図１の実施の形態の概略的な投影図である。
【図３】 単一モード・レーザーダイオードとして構成された単一モード・レーザー光源，前方に配置された光ファイバ及びフィードバック手段を有する図１の拡大した部分図である。
【図４】（ａ）場合によっては起こり得る温度変化前の本発明にしたがって稼働される図１の単一モード・レーザーダイオードの結果として生じるモードスペクトルの概略図である。
（ｂ）場合によっては起こり得る温度変化後の本発明にしたがって稼働される図１の単一モード・レーザーダイオードの結果として生じるモードスペクトルの概略図である。
【図５】（ａ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｂ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｃ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｄ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｅ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
【符号の説明】
１ 光源
１．１ 入射光学系
２ 光ファイバ
２．１ 入射面
２．２ 出射面
３ コリメータ
４ 偏光子
５ スケール格子
６ 走査格子
７ 再反射要素
８．１ 偏光光学要素
８．２ 偏光光学要素
９ 格子
１０ 走査ユニット
１０．１ 偏光子
１０．２ 偏光子
１０．３ 偏光子
１１．１ 光ファイバ
１１．２ 光ファイバ
１１．３ 光ファイバ
１１ 光源
１１．１ 入射光学系
１２ａ ファイバ部分
１２ｂ ファイバ部分
１２．１ 入射面
１２．２ 出射面
１２．３ 終端面
１２．４ 終端面
２１ 光源
２１．１ 入射光学系
２２ 光ファイバ
２２．１ 入射面
２２．２ 出射面
３１ 光源
３１．１ 入射光学系
３２ 光ファイバ
３２．１ 入射面
３２．２ 出射面
３３ レンズ
３３．１ 平坦面
４１ 光源
４１．１ 入射光学系
４２．１ 入射面
４２．２ 出射面
４２．３ 終端面
４２．４ 終端面
５１ 光源
５２．１ 入射面
５２．２ 出射面
５４ ビームスプリッタ
５５ 反射格子
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学に基づいて高精度に位置を測定するための位置測定装置が公知である。これらの位置測定装置は、シフト（ｖｅｒｓｃｈｉｅｂｕｎｇ−） に依存した出力信号を生成するために様々に重畳する部分ビーム間の干渉現象を利用する。このような位置測定装置では、十分なコヒーレント特性を呈するビームを供給するレーザが光源として多くの場合に使用される。例えば、ガスレーザや固体レーザ又は半導体レーザつまりレーザーダイオードが使用できる。ガスレーザや固体レーザは、例えば干渉計として構成された位置測定装置内で使用される。半導体レーザつまりレーザーダイオードは、シフトに依存した出力信号を生成するために特に１つ又は多数の格子を有する位置測定装置内で使用される。それぞれの波長が変化する場合、エラー測定が位置測定時に発生するので、供給される波長の安定化が双方のレーザ方式で必要である。
【０００３】
特に干渉計に接続して使用した場合、生成される波長の緩やかなドリフトが、測定される位置を変動させる；格子位置測定装置の場合、これに相当する影響は、この緩やかなドリフトに関してはより僅かである。
【０００４】
例えば非常に短期間の相対測定を実施するだけで済む場合は、それぞれの波長の緩やかなドリフトは多くの測定状況でほとんど影響しない。これに対して、急激な変化がそれぞれの波長で発生することが、これらの応用においても重要である。このことは、各種のタイプの単一モード・レーザーでも、すなわちガスレーザや固体レーザや半導体レーザでも起こる。これに対する理由は、強度分布と共振モードが温度やその他の影響値によっていろいろに左右されることにある。強度分布の最大が或る共振モードから遙かにずれていると、レーザの波長が、隣接した共振モードに飛ぶ。一般に温度が、これに対する主な原因である。
【０００５】
この問題を解決する第１の可能性は、米国特許発明第５，１６１，１６５号明細書中で開示されているように、波長をそれぞれのレーザ側で安定化することにある。この明細書では、レーザーダイオードの多モード動作を外部のエタロンによって適切に抑制することが提唱されている。しかしながらこの方法は、比較的大きい経費がかかる。
【０００６】
また、いわゆる単一モード・レーザーダイオードの代わりに多モード・レーザーダイオードを使用することが、例えば米国特許発明第 ５，１９８，８７３号明細書から公知である。この多モード・レーザーダイオードは、比較的狭いモードスペクトルを有し、温度変動が小さい場合に波長変化をほんの僅かにする。しかしながら、特に光源のビームが光ファイバを通じて信号生成手段を有する走査ヘッドに供給しなければならない場合、このような多モード・レーザーダイオードは、必要なビーム出力を供給しない。位置測定装置の走査ヘッドが１０ｍＷのビーム出力を必要とする場合、このような光源は使用できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光源が十分な出力効率を有し、かつ場合によっては起こりうる温度変化時でも検出した波長を可能な限り急激に変化させない位置測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の特徴を備えた位置測定装置によって解決される。
【０００９】
本発明の位置測定装置の好適な実施形は、請求項１の従属請求項中に説明されている手段によって実現される。
【００１０】
十分な出力効率を有する単一モード・レーザー光源が、光源として本発明にしたがって使用される。狭く隣接した多数の外部モードの励起が単一モード・レーザー光源内で起き、その結果単一モード・レーザー光源の擬似多モード動作が発生するように、この単一モード・レーザー光源は、フィードバック手段と相互に作用する。以下では、これに関連して多モード動作だけを説明する。
【００１１】
特に、単一モード・レーザーダイオード、すなわち半導体レーザは、単一モード・レーザー光源として本発明の位置測定装置内で使用される。しかしながら基本的には、ガスレーザや固体レーザのようなその他のレーザのタイプも使用され得る。
【００１２】
単一モード・レーザーが単一モード・レーザー光源を多モード動作に移行する程度に、レーザー動作の干渉（Ｓｔｏｅｒｕｎｇ）が、検出されたビームを単一モード・レーザー光源の共振器に適切にフィードバックさせることによって発生する。この場合、結果として発生したモードスペクトルは非常に狭い；同時に、隣接した多数のモードが確保されている。このとき、場合によっては起こりうる温度変化が、望まない結果を伴うモード・ホップを生じさせるのではなくて、関与した狭く分布するモードの温度に依存した緩やかな飛び移りだけが起こる。したがって、場合によっては起こりうる温度変化が、光源の出力波長に対してより僅かしか影響しない。同時に、例えば生成されたビームを光ファイバ経由で走査ヘッドに供給するため、単一モード・レーザー光源は、十分なビーム出力を供給する。
【００１３】
単一モード・レーザー光源がフィードバック手段と相互に作用するこのフィードバック手段に関しては、いろいろな構成が可能である。これらの構成は、提示されている要求に応じて実現可能である。
【００１４】
本発明の手段は、シフトに依存した出力信号を生成する１つ又は多数の格子が使用され、スケール格子の目盛周期が測定規準としての機能を果たす位置測定装置と関連させて使用することができる。これとは別に、本発明の位置測定装置を干渉計として構成してもよい。干渉計の場合、光源によって生成されたビームの波長が測定規準として使用される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のその他の利点及び詳細を図面に基づく実施の形態から説明する。
【００１６】
図１中には、本発明の位置測定装置の実施の形態の完全に展開した走査ビームの軌跡が概略的に示されている。この実施形の場合、位置測定装置が干渉原理に基づく。この位置測定装置は、特に信号を生成する多数の格子を使用する。使用される光源に関連して本発明の手段を引き続き詳しく説明する前に、以下で信号生成の原理を簡潔に説明する。
【００１７】
本発明の位置測定装置は、単一モード・レーザー光源の形態の光源１を有する；この示された実施の形態では、この単一モード・レーザー光源はここでは単一モード・レーザーダイオードとして構成されている。この単一モード・レーザーダイオードが放出したビームは、光ファイバ２を通じて後続配置された要素に供給される；これらの要素を以下の説明中では信号生成手段と定義し、またシフトに依存した出力信号を生成するために使用される。既に冒頭で説明したように、この説明した実施形とは違って、信号生成手段をその他の方法で、例えば公知の干渉計等で構成してもよい。
【００１８】
図１の実施の形態では、光ファイバ２から供給されたビームが、コリメータ３と偏光子４を経由してスケール格子５に到達する。走査格子６が、スケール格子５に後続配置されている。この走査格子６は、リッジプリズムの形態をした再反射要素７に面して配置されている。さらに１／４波長板として形成された２つのさらなる偏光光学要素８．１，８．２が、リッジプリズムに接して配置されている。この示した実施形では、もう１つの格子９及び多数の偏光子１０．１，１０．２，１０．３が検出側に設けられている。これらの偏光子１０．１，１０．２，１０．３の同様な光ファイバ１２．１，１２．２，１２．３が後続配置されている。シフトに依存した出力信号Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°が、これらの光ファイバ１２．１，１２．２，１２．３で発生する。
【００１９】
図１の位置測定装置の投影図が、図１中に示されている。特に信号生成手段の３次元配置が、この図から分かる。
【００２０】
光源１のビームは、この具体的な実施形では光ファイバ２を経由して走査ユニット１０に供給される。すなわち、光ファイバの出射面２．２が、走査ユニット１０に接続されている。入射側では、光源１が一定の３次元配置で入射面２．１に向かって配置されている。走査ユニット１０は、上述した信号生成手段の一部を有する。この信号生成手段の一部には、再反射要素７のほかに走査格子６及び偏光光学要素８．１，８．２，つまり１／４波長板をさらに有する。
【００２１】
同様に図２から分かるように、走査ユニット１０が、スケール格子５に対してｘ方向にシフト可能に配置されている。その結果、２つの被測定物が、一方では走査ユニット１０に接合されていて、他方ではスケール格子５に接合されている。これらの両被測定物の相対位置が、本発明の位置測定装置によって測定することができる。
【００２２】
さらに、光源１と同様に検出要素１２．１，１２．２，１２．３も、走査ユニット１０から空間的に離れて配置されていることが分かる。検出すべきビームが、結果として生じるスケール格子５と走査格子６との相互作用にしたがって光ファイバ１１．１，１２．２，１２．３経由で走査ユニット１０から検出要素１２．１，１２．２，１２．３に入射される。これらの両被測定物つまり走査ユニット１０とスケール格子５が相対運動する場合、シフトに依存した周期的な出力信号Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°が、検出要素１２．１，１２．２，１２．３によって検出可能である。同様に、これらの検出された出力信号Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°は、再処理のために検出要素１２．１，１２．２，１２．３から−図示しなかった−順次電子機器に入力される。
【００２３】
本発明の位置測定装置の具体的な信号生成に関しては、最終的には国際特許発明第０２／２３１３１号明細書をこの点に関して補足参照のこと。
【００２４】
以下で、本発明の手段を第１の実施の形態で使用する光源に関して図３に基づいて説明する。既に上述したように、例えばサンヨーセミコンダクターカンパニーから型式ＤＬ ７１４０−２０１で入手可能であるような、単一モード・レーザーダイオードが使用される。
【００２５】
適切なレンズ又は場合によっては多重レンズの形態の入射光学系１．１が光源１の前方に配置されている。光源１から放出されたビームが、この入射光学系１．１を通過して光ファイバ２の入射面２．１へ焦点合わせされる。ビームが、出射面２．２からの出射後に光ファイバ２によって既に説明した信号生成手段に入力される；信号生成手段は、図３中には示されていない。
【００２６】
図３の例でも別の実施の形態でも、使用される単一モード・レーザー光源、つまりこの例では単一モード・レーザーダイオードを多モード動作で作動させるため、光源１に対して設けられているフィードバック手段が付加的にそれぞれ使用される。この多モード動作には、放射されるビームの波長λの温度依存性に関して利点がある。外部共振器がそれぞれ、フィードバック手段によって構成される。
【００２７】
−明らかにより小さい内部共振器の長さＬ ＩＮＴ によるような−ただ１つのモードだけが励起されるのではなくて、統計学的に変動するものの、常に同時に励起する多数のモードが励起するという所定のやり方で、この共振器の共振器の長さＬ ＥＸＴ が選択される。その結果、実際の単一モード・レーザーダイオードが、（擬似）多モードに動作する。この（擬似）多モード動作の場合、温度が及ぼす波長の変動に対する良好な安定性のほかに、十分なビーム出力効率も保証されている。したがって−回避できない−温度変化の場合でも、特にモード・ホップ、すなわち放出されたビーム波長λ中でのホップがもはや発生しない。そのため、全ての関与した狭く分布したモードが温度によって緩やかにかつ連続して飛び移るために、放出されたビーム波長λが変動しない。
【００２８】
図４ａ中では、温度変化前の本発明にしたがって稼働される図１の単一モード・レーザーダイオードの結果として生じるモードスペクトルを概略的に示す。ここでは、結果として生じるモードの分布が狭いことが分かる。外部共振器の長さが明らかにより大きいためにＬ ＥＸＴ ≒１−１０ｍ、これらのモードの相互の波長間隔は、Δλ≒２＊１０−４ｎｍしかない。本発明の手段がない場合、単一モード・レーザーダイオードの明らかにより小さい内部共振長さＬ ＩＮＴ ≒１−２ｍｍに対しては、隣接したモードの相互の波長間隔Δλが前者に比べて約Δλ≒０．２ｎｍ−０．３ｎｍである。
【００２９】
図４ｂ中には、場合によっては起こり得る温度変化後のモードスペクトルが示されている。温度変化後の強度分布内での異なるモードの飛び移りを図４ａと図４ｂの個々のモード間の破線で示された接続線によって示す。
【００３０】
いろいろな実施可能性が、外部共振器の構成に対してつまり適切なフィードバック手段の構成に対して可能である。上述した事は、これらの構成を通じて発生する。図３に示された例では、部分反射する再反射要素がフィードバック手段として単一モード・レーザーダイオードの外側に設けられている。この部分反射する再反射要素は、光ファイバの出射面２．２によって形成される。したがって、外部共振器はこの実施の形態では、一方で光ファイバの出射面２．２を有する。この出射面２．２は、放射されたビームの一部を単一モード・レーザーダイオード中に再び反射させる。他方でこの外部共振器は、反射面１．２を単一モード・レーザーダイオードの内部に有する。このとき、上述したように、隣接した励起されたモードの微少な波長間隔Δλが、共振器の長さＬ ＥＸＴ によって与えられている。
【００３１】
光ファイバの出射面２．２は、この実施の形態では当たるビームの強度のうちの所定の割合を単一モード・レーザーダイオード中に再反射させる；その他の手段がない場合、この再反射の強度は、ビーム出力の約４％である。このことは、本発明の単一モード・レーザーダイオードの動作に対して十分である；場合によっては、より微小な反射ビーム出力でも十分である。しかしながら要求に応じて、ビーム強度のより大きい割合を反射させてもよい。光ファイバの出射面２．２の再反射特性を実現するため、この出射面２．２をさらに良好に反射するように形成してもよい；これとは別に、光ファイバの出射面２．２の一部を反射防止加工等を施してもよい。したがって、光ファイバの出射面２．２の反射面が適切に実現可能であるような、当業者に周知ないろいろな可能性が、このような外部共振器を構成するために存在する。
【００３２】
図３の構成の場合、使用される入射光学系の表面が、反射防止膜を有するとさらに好ましいことが実証されている。これによって、重要でないビーム成分が、この表面から単一モード・レーザーダイオード中に反射されないことが保証される。既に説明したように、隣接したモードの目的とする相互の狭い波長間隔Δλが微小である程、外部共振器の長さＬ ＥＸＴ は長く選択される。
【００３３】
図３の実施の形態とは違って、使用される光ファイバ２の入射面２．１も、少なくとも部分的に反射する再反射要素つまりフィードバック手段として機能できる。光ファイバの出射面２．２は、この場合は特に完全に反射防止加工して構成する必要がある。その一方で光ファイバの入射面２．１は、ビームの少なくとも一部を単一モード・レーザーダイオードの方向に再び反射させる。このとき、この外部共振器は、光ファイバの入射面２．１と単一モード・レーザーダイオードの内部反射面１．２とによって構成される。先の例と比較すると、これに応じて光ファイバ２の長さだけ短い外部共振器の長さＬ ＥＸＴ が得られる。
【００３４】
以下で、フィードバック手段、すなわち外部共振器を構成するその他の可能性をさらに説明する。単一モード・レーザー光源つまりこの例では単一モード・レーザーダイオードの本発明の多モード動作が、これらの可能性によって実現可能である。図５ａの別形態では、光ファイバが光源１１と入射光学系１１．１に後続配置されている。この光ファイバは、２つのファイバ部分１２ａ，１２ｂから構成されている。これらの両ファイバ部分１２ａ，１２ｂの終端面１２．３，１２．４は、適切な−図示しなかった−コネクタによって互いに連結している。しかしながら、これらの両終端面１２．３，１２．４の一方の終端面の一部が、金属で被覆されている。したがって、この終端面の一部は、共振器の長さがＬ ＥＸＴ である外部共振器を構成するための部分反射する外部要素として機能している。例えば二重レンズ状の入射光学系１１．１の側面のような残りの平坦面又は光ファイバの入射面１２．１及び光ファイバの出射面１２．２が、透過性に被覆されている。
【００３５】
図５ｂ中には、フィードバック手段を構成するもう１つの可能性が概略的に示されている。ここでは、二重レンズ状の入射光学系２１．１の平坦面２１．１ａが、部分反射する反射面として使用される。この目的のためには、この平坦面２１．１ａを無反射に被覆しないことで十分である。長さＬ ＥＸＴ の外部共振器が構成されるように、単一モード・レーザーダイオードとして構成された光源２１方向への再反射が発生する。後続配置された光ファイバ２２の側面に対するその他の手段は必要ない。
【００３６】
図５ｃの構成によれば、無反射に被覆された入射光学系３１．１と光ファイバ３２が、単一モード・レーザーダイオードの形態をした光源３１に後続配置されている。ビームを放射状に形成するもう１つのレンズ３３が、光ファイバ３２の出射面３２．２に隣接して配置されている。このレンズ３３は、出射面３２．２から離れている。レンズ３３は平坦面３３．１を有する。この平坦面３３．１は、部分反射する再反射要素として機能し、かつ当たったビームの一部を単一モード・レーザーダイオードの共振器の方向に再反射させる。その結果、共振器の長さＬ ＥＸＴ の外部共振器が同様に構成される。この目的のためには、レンズ３３の平坦面３３．１を無反射に構成することで十分である。
【００３７】
部分反射する再反射要素の形態のフィードバック手段に関する別の構成の可能性が、図５ｄ中に示されている。２本又は場合によっては多数のファイバ部分４２ａ，４２ｂを束ねた２つ又は場合によっては多数の部分から成る１本の光ファイバが、光源４１と入射光学系４１．１に後続配置されている。図５ａの別形態とは違って、ファイバ部分の対向する終端面４２．３，４２．４がコネクタを介さないで互いに直接的に連結している。空隙が、これらの終端面の間に設けられている。その結果、当たったビームの一部の共振器の方向への再反射が、第１の終端面４２．３の面で起こる。共振器の長さＬ ＥＸＴ が、図５ｄ中に同様に示されている。
【００３８】
図５ｅの別形態では、ビームスプリッタ５４を光源５１と入射光学系５２．１との間に配置することが提唱されている。このビームスプリッタ５４は、入射するビーム強度の一部を出射させ、反射格子５５の方向に反射させる；入射したビームは、反射格子５５によって共振器の方向に再反射する。
【００３９】
フィードバック手段を構成する−図示しなかった−その他の別形態では、部分反射するミラーを単一モード・レーザーダイオードの共振器の外側に配置すること、及び入射したビームの一部を同様に再びフィードバックさせることが可能である。
【００４０】
説明したこれらの別形態のほかに、フィードバック手段を構成する可能性が、本発明の範囲内で明らかにまださらに存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の位置測定装置の実施形の走査ビームの軌跡の概略図である。
【図２】 図１の実施の形態の概略的な投影図である。
【図３】 単一モード・レーザーダイオードとして構成された単一モード・レーザー光源，前方に配置された光ファイバ及びフィードバック手段を有する図１の拡大した部分図である。
【図４】（ａ）場合によっては起こり得る温度変化前の本発明にしたがって稼働される図１の単一モード・レーザーダイオードの結果として生じるモードスペクトルの概略図である。
（ｂ）場合によっては起こり得る温度変化後の本発明にしたがって稼働される図１の単一モード・レーザーダイオードの結果として生じるモードスペクトルの概略図である。
【図５】（ａ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｂ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｃ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｄ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
（ｅ）フィードバック手段を構成する別の可能性の図である。
【符号の説明】
１ 光源
１．１ 入射光学系
２ 光ファイバ
２．１ 入射面
２．２ 出射面
３ コリメータ
４ 偏光子
５ スケール格子
６ 走査格子
７ 再反射要素
８．１ 偏光光学要素
８．２ 偏光光学要素
９ 格子
１０ 走査ユニット
１０．１ 偏光子
１０．２ 偏光子
１０．３ 偏光子
１１．１ 光ファイバ
１１．２ 光ファイバ
１１．３ 光ファイバ
１１ 光源
１１．１ 入射光学系
１２ａ ファイバ部分
１２ｂ ファイバ部分
１２．１ 入射面
１２．２ 出射面
１２．３ 終端面
１２．４ 終端面
２１ 光源
２１．１ 入射光学系
２２ 光ファイバ
２２．１ 入射面
２２．２ 出射面
３１ 光源
３１．１ 入射光学系
３２ 光ファイバ
３２．１ 入射面
３２．２ 出射面
３３ レンズ
３３．１ 平坦面
４１ 光源
４１．１ 入射光学系
４２．１ 入射面
４２．２ 出射面
４２．３ 終端面
４２．４ 終端面
５１ 光源
５２．１ 入射面
５２．２ 出射面
５４ ビームスプリッタ
５５ 反射格子
Claims (9)
- １つの光源（１；１１；２１；３１；４１；５１）及びシフトに依存した出力信号（Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°）を生成する信号生成手段を備えた２つの物体の相対位置を測定する位置測定装置において、
この光源（１；１１；２１；３１；４１；５１）は、単一モード・レーザー光源として構成されていて、多数のモードが単一モード・レーザー光源中で励起して、単一モード・レーザー光源が多モード動作するようにフィードバック手段と相互に作用し、
少なくとも１本の光ファイバ（２；１２；３２；４２；５２）が、光源（１；１１；２１；３１；４１；５１）の前方に配置されていて、この光源（１；１１；２１；３１；４１；５１）から放射されたビームが、光ファイバの入射面（２．１；１２．１；２２．１；３２．１；４２．１；５２．１）を経由してこの光ファイバ（２；１２；３２；４２；５２）中に入射して、この放射されたビームは、光ファイバの出射面（２．２；１２．２；２２．２；３２．２；４２．２；５２．２）を経由して信号生成手段に入射し、
１つの部分反射する反射要素が、フィードバック手段として使用され、単一モード・レーザー光源の放射されたビームの少なくとも一部が、この反射要素に当たって、このビームは、この反射要素によって単一モード・レーザー光源の方向に再反射し、
光ファイバの入射面（２．１）が、部分反射する反射要素として構成されるとともに、光ファイバの出射面（２．２）が、完全に反射防止加工されており、その結果光ファイバの入射面（２．１）によって、放射されたビームの少なくとも一部が単一モード・レーザー光源の方向に再び反射されることにより、光ファイバの入射面（２．１）と単一モード・レーザー光源の内部反射面（１．２）の間で外部共振器が構成されているか、或いは光ファイバの出射面（２．２）が、部分反射する反射要素として構成されており、その光ファイバの出射面（２．２）によって、放射されたビームの少なくとも一部が単一モード・レーザー光源の方向に再び反射されることにより、光ファイバの出射面（２．２）と単一モード・レーザー光源の内部反射面（１．２）の間で外部共振器が構成されている、
位置測定装置。 - 多数のファイバ部分（１２ａ，１２ｂ；４２ａ，４２ｂ）が、放射されたビームを信号生成手段に入射するために使用され、隣接したファイバ部分（１２ａ，１２ｂ；４２ａ，４２ｂ）の対向する終端面（１２．３，１２．４；４２．３，４２．４）のうちの一方の終端面が、部分反射する反射要素として形成されている請求項１に記載の位置測定装置。
- 隣接したファイバ部分（１２ａ，１２ｂ）の双方の対向する終端面（１２．３，１２．４）が、光学的なコネクタによって互いに連結している請求項２に記載の位置測定装置。
- 空隙が、隣接したファイバ部分（４２ａ，４２ｂ）の双方の対向する終端面（４２．３）と終端面（４２．４）との間に存在する請求項２に記載の位置測定装置。
- 前記単一モード・レーザー光源は、単一モード・レーザーダイオードとして構成されている請求項１に記載の位置測定装置。
- 前記信号生成手段は、少なくとも１つの走査格子（６），スケール格子（５）及び１つ又は多数の光電式の検出要素（１２．１，１２．２，１２．３）を有する請求項１に記載の位置測定装置。
- 走査格子（６）及び少なくとも１つの光電式の前記検出要素（１２．１，１２．２，１２．３）は、走査ユニット（１０）内に配置されていて、この走査ユニット（１０）が両物体のうちの一方の物体に接合されている一方で、前記スケール格子（５）は両物体のうちのその他の物体に接合されている請求項６に記載の位置測定装置。
- 前記光ファイバの出射面（２．２）は、前記走査ユニット（１０）に連結されていて、前記光源（１）のビームがこの走査ユニット（１０）に入射する請求項１又は７に記載の位置測定装置。
- 前記光ファイバの出射面（２．２）から出射されたビームが、前記走査格子（６）と前記スケール格子（５）と相互に作用した後に少なくとも１つの光電式の前記検出要素（１２．１，１２．２，１２．３）に当たり、シフトに依存した少なくとも１つの出力信号（Ｓ−１２０°，Ｓ０°，Ｓ１２０°）が、両物体の相対運動時に前記検出要素（１２．１，１２．２，１２．３）によって検出可能である請求項８に記載の位置測定装置。
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