JP4934244B2 - 部品の位置を検出する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、参照分岐路と測定分岐路とを備え、参照分岐路が互いに対向しあっている２つの反射面を有している干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５２７０７８９号公報からは、測定分岐路と参照分岐路とを備えた干渉計装置が知られている。参照分岐路内には、参照光線の光路長を変化させるための別の干渉計が設けられている。たとえば、マイケルソン干渉計の参照分岐路内にファブリ・ペロー干渉計が配置される。このファブリ・ペロー干渉計により、測定光線と重畳されるべき参照光線が多数の光束を有することになる。これら多数の光束には、ファブリ・ペロー干渉計内の反射部の数量に依存してそれぞれ異なる光路が割り当てられる。測定光線と参照光線とは重畳され、その際付設の検出器により干渉現象を検出することができる。検出された干渉現象の強度に依存して、参照光線の干渉光束の次数を推定でき、よって、参照光路の該当する光束の光路を推定することができる。参照分岐路の個々の光束は、次の次数に対し、踏破した光路の光路差が一定である。干渉現象を発生させるため、測定分岐路内に、並進運動可能なミラーが配置されており、このミラーは、少なくとも、参照光線の２つの次数の間の前記一定の光路差だけ走行可能である。
【０００３】
この装置の欠点は、個々の光束の強度が次数の増大に伴って著しく減少し、これにより、参照分岐路の光束によってカバーされる、異なる光路長の範囲が制限されていることである。次数の高い参照光線の光束で干渉現象を検出するには高感度のセンサ装置が必要である。個々の干渉現象の強度差は隣接する構造の次数が増大するに伴って非常に小さくなる。その結果、許容できるような測定範囲をカバーするには、ＳＮ比を改善するための付加的な装置を必要とすることがある。
【０００４】
さらに、参照光線が踏破する距離を変えるための走行可能な反射器を参照分岐路内に有している干渉計装置が知られている。この装置の欠点は、このミラーの走行速度がかなり制限されていることである。したがって、許容時間内でわずかな距離差しか実現できず、或いは、大きな距離範囲を操作するために比較的長い走査時間を考慮に入れねばならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、参照光線が踏破する距離を迅速且つ広範囲に変化させることのできる装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のこの課題は、請求項１に記載された構成によって解決される。すなわち、相対配置位置を維持しながら回転軸のまわりに回転可能であるような反射面を参照分岐路内に配置したことを特徴とするものである。それによって、本発明は参照分岐路の光路長を広範囲にわたって短時間で変化させることができる。反射光線が１つの反射面に最初に入射すたるときに反射面と成す角度に依存して、反射面の間で反射する回数が変化する。したがって、参照光線が踏破する距離が変化する。
【０００７】
これら反射面を回転駆動させる回転駆動部が反射面に付設されているのが有利であることが明らかとなった。特に、評価に伴うコストを少なくするには、角速度一定の駆動部も必要である。
【０００８】
反射面が少なくとも９０％の反射率、有利には９９％の反射率を有しているのが有利であることが明らかとなった。これにより、参照光線の強度が両反射面の間での反射の回数に依存してわずかだけ減少することが保証される。これにより、反射面の間での反射の回数が多いときの参照光線は、反射面の間に入射する前の参照光線に比べて強度がわずかに減少することが保証される。
【０００９】
反射面を互いに対向させて間隔Ｄで互いに平行に配置するのが有利なことが明らかとなった。反射面の間隔Ｄが一定であることにより演算の手間が少なくなる。なぜなら、特に次数が高い場合、反射面によって形成される光線誘導体に入射する際の入射角に依存して次数間の距離差が２＊Ｄになるからである。近似的には、入射角のコサインはほぼ１であると想定される。これは特に、入射光線と反射面の垂線との成す角度が小さい場合に適用され、すなわち参照光路の踏破すべき距離範囲が長い場合に対して適用される。
【００１０】
反射面によって形成される光線誘導体の前部開口部の領域に回転軸を配置するのが有利であることが明らかになった。これにより、大きな角度範囲にわたっての参照光線の光線誘導体へのカップリングを保証することができ、しかも参照光線の光路の延在態様を適合させる必要がない。入射角により、反射面の間での反射回数または光線誘導体内での反射回数が決まる。したがって、参照光線が踏破する光学的距離が広範囲に変化する。
【００１１】
光線誘導体が回転軸と固定結合されているのが有利であることが明らかになった。
【００１２】
有利な実施の態様では、反射面にエンドミラーが付設されている。このエンドミラーは、光線誘導体に入射する前の参照光線に対し垂直に配置されている。これにより、光線誘導体から出た光線がエンドミラーで反射することによって戻り反射することが保証される。光線誘導体の角速度が小さければ、エンドミラーで反射した参照光線は光線誘導体を通るほぼ同じ光路を戻る。
【００１３】
エンドミラーが並進走行可能であることが有利であることが明らかとなった。
その結果、参照分岐路内で光路を無段階に変化させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、いくつかの実施の形態に関し本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１に図示した干渉計装置１は、白色光を発する光源２５を有している。光源２５から発せられる光線２６は、光路内に角度を持って配置されているビームスプリッター２７に入射し、そのビームスプリッター２７により、光源２５から発せられた光線は分割されて、その部分光線は測定分岐路３と参照分岐路５とに分けられる。ビームスプリッター２７は４５゜の角度で光路内に配置されているのが有利である。参照分岐路５に分割された光線は、図２を用いて詳細に後述する回転ミラー装置２を通過し、参照分岐路５の光路に対し垂直に配置されているエンドミラー１５で反射する。反射した光線はもう一度回転ミラー装置２を通過して、再びビームスプリッター２７に入射する。その際ビームスプリッターを通過した光線部分は検出器２９に入射する。この検出器２９には、測定分岐路３から戻ってきてビームスプリッター２７で反射した光線も入射する。
【００１６】
次に図２を用いて、回転ミラー装置２の実施の形態を詳細に説明する。この回転ミラー装置２は反射面７を有している。この反射面７によって光線誘導体１３が形成され、ミラーシステム１１を形成している。個々の反射面７はそれぞれ長さＬの縦方向延在部を有し、互いに平行に間隔Ｄで配置されている。反射面７は互いに向き合うように配置されている。反射面７の間にガラスが配置されていないことにより、拡散作用が回避される。反射面７の１つは回転軸９と固定結合され、回転軸９は回転駆動部１０により回転駆動可能である。回転駆動部１０を制御することによって、反射面７によって形成されているミラーシステム１１が回転させられるが、その際個々の反射面７の相対位置は変化しない。これらの反射面７には、参照分岐路５の光線４に対し垂直に配置されたエンドミラー１５が付設されている。光線４は反射面７によって形成されているミラーシステム１１にカップリングされ、その際ミラーシステム１１から出射する光線はカップリングされた光線４に対し平行に延びる。エンドミラー１５は、２＊Ｄ以上の走行長さだけ参照分岐路５の光線の方向へ並進的に走行可能である。エンドミラー１５はたとえば検流計により駆動することができる。通常の構造の検流計は１ｃｍの最大調整距離７を可能にするので、反射面７は最大で５ｍｍの相互間隔で配置される。並進操作台を設けることにより、エンドミラー１５の２０ｃｍの最大調整距離が達成可能である。
【００１７】
図３と図４は、反射板７の反射率が９９％であると想定して、回転ミラー装置２を両方向に通過した後の光線の強度をグラフ化したものである。さらに、次数と、参照光線が踏破する光学的距離と、回転ミラー装置からビームスプリッターの方向へ離れる参照光線の強度とが図示されている。
【００１８】
図４は、図３の１２゜ないし３０゜の入射角範囲１９の部分拡大図である。光学的距離の、次数が跳躍している部分の間でただ１つの回転ミラー装置２によりカバーされない範囲は、調整距離１７を持ったエンドミラー１５の走行能により提供される。cosα≒1の近似を想定できない角度範囲に対しては、踏破した光学的距離を算出する際に角度を一緒に取り込まねばならない。これから、エンドミラーは個々の反射面の間隔の２倍以上走行可能でなければならないという結論になる。光学的距離に対しては、
【００１９】
ＳＳ（Ψ）＝２＊（Ｓ（Ψ）＊ｎ（Ψ）＋Ｌ＊（１−sin（Ψ）））
が適用される。
【００２０】
したがって強度に対しては、
【００２１】
Ｉ（Ψ）＝０．９９^{2*n( Ψ )+1}
が適用される。
【００２２】
図５を用いて、上述した干渉計装置により部品の位置決めを実施可能にする装置について説明する。装置に関する説明に引き続いて、位置決定のための方法を詳細に説明する。
【００２３】
干渉計装置１０１を用いて位置決定するための装置１００は、光源１２３として超発光ダイオード１２５を有している。超発光ダイオード１２５は白色光源である。超発光ダイオード１２５から発せられた光線はファイバーオプティックス１０７にカップリングされる。ファイバーオプティックスとしては単一モードファイバであることが望ましい。ファイバーオプティックス１０７は、ファイバーオプティックス内部に導入された光線が踏破した距離が既知であるように選定されている。このファイバーへカップリングされた光線はファイバーオプティックス１０７を介してミクサー１２７に達し、このミクサー１２７によりこの光線は一方が測定分岐路１０３にカップリングされ、他方は参照分岐路１０５にカップリングされる。
【００２４】
測定分岐路１０３にカップリングされた光線は、再びファイバーオプティックス１０７を介して送信器１３３へ導かれる。送信器１３３はこの光線を球面波１３７として発信する。この送信器１３３には、位置を決定される部品が固定結合され、或いは、位置を決定される部品と一定関係にある付設の部品が固定結合されている。送信器１３３には反射球１３５が付設されており、送信器１３３から発信された球面波１３７の一部分がこの反射球１３５によって反射され、有利には、反射球１３５に当たった光線は該反射球１３５によって合焦される。反射した光線は送信器１３３（同時に受信器１３４でもある）によって再び測定分岐路１０３のファイバーオプティックス１０７にカップリングされる。そして再びミクサー１２７に達する。
【００２５】
反射球１３５の代わりに受信器を設けて、受信した光線をミクサー１２７に供給するようにしてもよい。
【００２６】
参照分岐路１０５にカップリングされた光線は、ファイバーオプティックス１０７を介して、すでに述べた回転ミラー装置２に対応する回転ミラー装置１０２にカップリングされる。この回転ミラー装置１０２は回転軸１０９を有しており、回転ミラー装置１０２のミラー１１３は付設の駆動部１１０によって回転駆動させられる。回転ミラー装置１０２を回転駆動するために設けられている駆動部１１１は、制御装置１３０によって制御される。回転ミラー１１３から出射する光線は、回転ミラー装置１０２にカップリングされる光線に対し垂直に配置されている付設のエンドミラー１１５に入射し、このエンドミラー１１５によって反射させられる。このエンドミラー１１５は付設の駆動部１１７、有利には検流計１１９により並進駆動可能である。この付設の駆動部１１７により、回転ミラー装置１０２の互いに平行に配置されているミラー１１３の間隔の２倍の往復運動が少なくとも１回保証される。エンドミラー１１５のその都度の位置は、信号線１２１（この信号線により前記駆動部１１７も制御可能である）を介して評価装置１３１へ送られる。駆動部１１７の制御は、駆動部１１１の制御と同様に制御装置１３０により行なわれる。制御装置１３０を、評価装置１３１を備えたユニットとして構成してもよい。
【００２７】
エンドミラー１１５によって反射させられた光線は、ミラー１１３を介して再び参照分岐路１０５のファイバーオプティックス１０７にカップリングされ、このファイバーオプティックス１０７を介して再びミクサー１２７へ達する。ミクサー１２７では、測定分岐路１０３から戻ってきた光線が参照分岐路１０５から戻ってきた光線と重畳される。ミクサー１２７には検出器１２９が付設されており、この検出器１２９により重畳光線の干渉が検出される。検出した干渉現象から、送信器１３３から反射球１３５への走行時間および反射球１３５から送信器１３３へ戻るまでの走行時間を導出することができる。少なくとも４個の反射球１３５を設けるのが有利であり、このようにすると、それらの信号から、決定されるべき部品の位置を正確に検出することができる。回転ミラー装置１０２により、位置決定されるべき部品が存在することのできる範囲は、参照分岐路内で光線が踏破すべき距離を対応的に生じさせることによって常時スキャンされる。
【００２８】
参照分岐路１０５内のファイバーオプティックスに基づく光学的距離と測定分岐路１０３内のファイバーオプティックスに基づく光学的距離との釣り合いは、送信器１３３で反射して戻った光線、したがってファイバーオプティックス１０７を離れなかった光線を用いて調べられ、或いは調整される。
【００２９】
送信器１３３から発せられる球面波１３７に優先方向を持たせて、球面波の振幅が立体角に依存して変化するようにしてもよい。このようにすると、検出した走行時間信号と干渉現象の強度に基づいて、送信器１３３から反射球１３５までの距離以外に、送信器１３３に対して反射球１３５が存在する立体角をも推定することができる。
【００３０】
放射された球面波１３７が優先方向を持っている場合の強度を考慮することにより、所定の空間内で位置決定されるべき部品の位置を３個の反射球１３５を用いて一義的に決定することができる。位置決定されるべき部品の正確な位置または送信器１３３の正確な位置を決定するために必要な反射球１３５の数量を最小にするには、これら反射球１３５を非対称に配置するのが有利であることが判明した。
【００３１】
位置決定されるべき部品のおおよその位置が既知である場合、上記のような干渉計装置１０１を正確な位置決定のために使用することもできる。
【００３２】
図６には、検出された干渉現象の可能な信号順序が概略的に示されている。信号Ｌ１は１で示した反射球１３５によるものである。時間的に最初に検出された干渉結果Ｌ１は、送信器１３３と反射球１３５の間の最短距離に対応している。反射球１３５と送信器１３３の間の距離に対応して、個々の干渉結果が時間的な順序で検出される。
【００３３】
局所的な位置決定のための装置内に回転ミラー装置２，１０２を使用することは１つの可能な使用態様である。回転ミラー装置はこのような使用態様に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】干渉計装置を示す図である。
【図２】回転ミラー装置を示す図である。
【図３】強度と反射回数との関係を示すグラフである。
【図４】図３の拡大図である。
【図５】干渉計装置を用いた位置決定の説明図である。
【図６】信号順序を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 干渉計装置
２ 回転ミラー装置
３ 測定分岐路
４ 光線
５ 参照分岐路
７ 反射面
９ 回転軸
１０ 回転駆動部
１１ ミラーシステム
１３ 光線誘導体
１５ エンドミラー
１７ 調整距離
１９ 入射角
２５ 光源
２６ 光線
２７ 光線誘導体
２９ 検出器
３１ 前部開口部
３３ 後部開口部
１００ 局所的に位置決定するための装置
１０１ 干渉計装置
１０２ 回転ミラー装置
１０３ 測定分岐路
１０５ 参照分岐路
１０７ ファイバーオオプティックス
１０９ 回転軸
１１１ 駆動部
１１３ ミラー
１１５ エンドミラー
１１７ 駆動部
１１９ 検流計
１２１ 信号線
１２３ 光源
１２５ 超発光ダイオード
１２７ ミクサー
１２９ 検出器
１３０ 制御装置
１３１ 評価装置
１３３ 送信器
１３４ 受信器
１３５ 反射球
１３７ 球面波

Claims (15)

1. 部品の位置を検出する装置であって、この装置は、
   ａ）ミクサー（１２７）を介して参照分岐路（１０５）と測定分岐路（１０３）内に入射される光線を生成するための光源（１２３）を具備した干渉計構成（１、１０１）であって、前記参照分岐路は、互いに対向すると共にそれらの相対配置位置を維持しながら回転軸（９、１０９）を中心として回転できるように構成された２つの反射面（７、１１３）の形態をした回転ミラー構成（２、１０２）を有する、前記干渉計構成と、
   ｂ）前記部品に堅固に接続され、計測放射を伝送する送信器（１３３）であって、前記計測放射は、前記測定分岐路を介して球面波（１３７）の形態において受信器（１３４）に伝達され、前記受信器は、前記受信した放射を前記測定分岐路を介して前記ミクサーに再度伝達するよう構成されてなる、前記送信器と、
   ｃ）前記測定分岐路と前記参照分岐路から戻ってきて、前記ミクサー内において重畳された前記放射の干渉を検出するための検出器（１２９）と、から成ることを特徴とする装置。
2. 前記送信器（１３３）から前記受信器（１３４）上に放射された前記球面波（１３７）の入射部分を反射するべく、反射球（１３５）が設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 超発光ダイオード（１２５）が前記光源（１２３）として提供されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記放射は、好ましくは単一モードファイバから構成された光ファイバである光ファイバ（１０７）を使用することにより、前記参照分岐路（１０５）と前記測定分岐路（１０３）内において導波されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記反射球（１３５）は、前記入射放射を合焦するべく設計されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記回転ミラー構成（２、１０２）の反射面（７、１１３）に回転駆動部（１０、１１１）が付設されていることを特徴とする請求項１から５いずれか一項に記載の装置。
7. 前記回転ミラー構成（２、１０２）の反射面（７、１１３）が少なくとも９０％の反射率を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
8. 反射面（７、１１３）が一定の間隔で配置され、かつ互いに平行にそして互いに対向して配置されてなる回転ミラー構成（２、１０２）を有し、前記反射面によって光線誘導体（１３）が形成され、この光線誘導体は前部開口部（３１）と後部開口部（３３）とを有し、回転軸（９、１０９）は前部開口部の領域に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記回転ミラー構成（２、１０２）の光線誘導体（１３）が回転軸（９、１０９）と固定結合されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記回転ミラー構成（２、１０２）の反射面（７、１１３）は、関連のエンドミラー（１５、１１５）を有し、前記エンドミラーは、光線誘導体（１３）に入射し、反射面（１１３）間で反射し、そして回転ミラー１０２から出射してくる光線に対し直角に配置されていることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
11. 前記回転ミラー構成（２、１０２）のエンドミラー（１５、１１５）を並進運動させることができることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記回転ミラー構成（２、１０２）のエンドミラー（１５、１１５）は、少なくとも調整距離（１７、１１７）２＊Ｄだけ、ここでＤは反射面間の最大間隔である、前記エンドミラーへの入射光線に対し平行に走行可能であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
13. 前記回転ミラー構成（２、１０２）のエンドミラー（１５、１１５）が無段階に走行可能であることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記エンドミラーは、特に平行移動プラットフォームを含む検流計の出力電流値に従って移動可能であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記光線（４）の前記光線誘導体（１３）内への前記入射角度範囲（１９）は、１２°〜３０°であることを特徴とする請求項８から１４のいずれか一項に記載の装置。

Images