JP5968986B2 - 位置測定装置 - Google Patents
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Description
本発明による位置測定装置で利点がある構成の可能性は、従属請求項に記載の特徴により得られる。
ファイバ格子帰還手段には、次の部品を含んでいることがある:
−半導体レーザの出力側前部ファセットの前に配置された集束光学系
−集束光学系の後に配置された光ファイバ
−光ファイバに内蔵された反射ブラッグ格子
ファイバ格子帰還手段が、その波長的な反射特性に関して半導体レーザのモード間隔に一致していると利点がある。
半導体レーザおよび/又はファイバ格子帰還手段が、少なくとも部分的に温度調節手段と繋がっているようにしていることがあり、それを介してファイバ格子帰還手段の反射特性を半導体レーザのモード状態に一致させる。
光ファイバは、シングルモード光ファイバとして構成されていると好ましい。
半導体レーザは、〜12mm範囲にある干渉長さを有していることがある。
分光光束が重なり合って干渉する前に分光光束の通過する分光光路が、異なった光学的経路長さを有して非対称で構成されているものとすることができる。
本発明による位置測定装置には、ここで設けている光源により一連の利点が得られる。
そこでは光源の大きな出力時にも同時に、1センチメータを超えるまでの特に大きな干渉長さ使用できる。このことは、干渉することになる分光光束に対して明らかに大きな経路差が可能であるので、本発明による位置測定装置の干渉式走査原理にとって利点のある成果が得られる。そして許容される経路差が、数ミリメータ〜1センチメータにあることがある。このことにより特に、著しく非対称な分光光路を有する位置測定装置の構成が可能になり、その装置では色々な分光光路にある光が、明らかに異なった光学的経路長を進む。分光光路において許容できる経路差が大きいことは、傾斜許容度に関しても利点を有して作用する。よって本発明により構成された位置測定装置に対して、従来のケースと較べて明らかに大きな傾斜許容度を許容できる。
変位に従う位置信号を発生する走査側要素を、以下において走査手段とも呼ぶことにする。これには光源21の他に、更に種々の別の光学的および/または光電的構成要素を含んでいる。これらの構成部品は、例えば走査ユニット20の中に配置されている、および/または例えば適切な光ファイバ等を介してそれと適切な有効接続状態としていることもある。走査手段の機能を説明するために以下において、図1で示す実施例の走査光路を追跡することにする。ここでまず代替の走査光路も勿論、本発明の範疇で実現できることを示唆しておきたい。
図1の例において、光パルスの形態で光源21から発光された光束が、光ファイバ2を介して走査ユニット20に送られる。特に適切な光源の詳細に関しては、後の説明を参照されたい。集束レンズ22を介して光パルスないし光束が方向転換ミラー23に到達して、これを方向転換ミラーが基準尺10の方向に方向転換する。そして光束は、走査ユニット20の下側にある走査プレート24の透明範囲を通過して、基準尺10の方向に伝播する。そこで光束は最初の衝突で、+1と−1次の二つの分光光束に曲げられる又は分光され、そして走査ユニット20の方向に逆反射される。以上により提示の実施例では基準尺10が、光源21から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段として機能する。そして分割された分光光束は、その分光光路でそれぞれ走査プレート24にある走査格子25.1,25.2を通過し、後に配置された反転反射要素26.1,26.2を介して、再び基準尺10の方向に逆方向転換される;その方向転換された分光光束を図では破線で図示している。反転反射要素26.1,26.2として機能するのは、例えば適切なプリズム、方向転換ミラーの組み合わせ、または同等品である。分光光束は、走査プレート24にある−図示していない−第二走査格子を改めて通過してそこで方向を変えた後に、基準尺10に再度衝突する;尚、図1で逆向きになった分光光束の図示は概略的にのみ示している、即ち、特に基準尺10への再度の衝突は、完全に正しくは図示されていないことを示唆しておきたい。基準尺10上で分光光束が改めて曲げられて、平行な分光光束のペアが走査ユニット20方向に伝播する。走査ユニット20の中で分光光束が、走査プレート24にある別の走査格子25.3に当たり、そこで三つの空間方向への三ペアの干渉分光光束の分割が行われる。走査ユニット20内で該当する空間方向には、分光光路からの干渉分光光束が当たる三つの検知要素27.1,27.2,27.3が配置されているので、検知要素27.1,27.2,27.3を介して変位に従う位置信号を検知することができる。検知要素27.1,27.2,27.3には、位相のずれた位置信号がかかっている;このとき位相のズレは一般的に120°である。
本発明による位置測定装置の第二実施形態においても、高精密測定に対して特別な利点を提供する特別に選んだ光源が使用され、それを以下において図3と4を使って詳細に説明する。
転で作動し、干渉長さの大きな光線を送り出す。300mW以上のパルス出力と12mm以上の干渉長さで20ナノ秒〜200ナノ秒のパルス時間を達成できる。光源21の干渉長さに対する代表的な値は、約500mWのパルス出力時で10mm近辺にある;半導体レーザが8−12mm範囲の干渉長さを有していると好ましい。パルス出力を更に下げて同時にパルス時間を増加すると、干渉長さを更に大きくすることができる。
そしてパルスで駆動する位置測定装置を開発する時に、充分に対称的な走査光路に最早制限されず、非対称の走査光路も今や可能である。
本発明による位置測定装置は勿論、実体的に構成された基準尺なしでも、即ち干渉計として実現できることを既に何度も言及した。
20 走査ユニット
21 光源
21.1 レーザケース
21.2 半導体レーザ
21.3 後部ファセット
21.4 前部ファセット
21.5 集束光学系
21.6 温度調節手段
21.7 温度調節手段
21. 光ファイバ
21.9 反射ブラッグ格子
22 集束レンズ
23 方向転換ミラー
24 走査プレート
25 走査格子
26 反転反射要素
27 検知要素
2 光ファイバ
100 基準尺
200 走査ユニット
201 光源
202 分光光学系
20 光ファイバ
207 光電式検知要素
210 ブロック
Claims (11)
- 少なくとも一つの測定方向で互いに可動自在で配置されている二つの対象物の位置を検出するための位置測定装置であって、
−光源と
−光源から送られた光線を二つ以上の分光光束に分割する分光手段と
−分光光束が通過する少なくとも二つの分光光路と、
−多数の光電式検知要素とを備え、それに分光光路からの干渉分光光束が当たり、それにより検知要素を介して変位に従う位置信号を検出できる、位置測定装置において、
光源(21;201)は、当該光源がパルス的に動作するためにファイバ格子帰還手段付き半導体レーザとして構成されており、
半導体レーザおよびファイバ格子帰還手段が、少なくとも部分的に温度調節手段(21.6,21.7)と繋がっており、該温度調節手段(21.6,21.7)は、温度調整要素(21.6a、21.7a)及び温度制御装置(21.6b、21.7b)を含むと共に、変位に従う位置信号の位相ズレが最小となるような適切な温度で前記半導体レーザ及びファイバ格子帰還手段を駆動でき、
前記適切な温度は、前記位置測定装置の製造時、及び/又は前記位置測定装置の初期化時、及び/又は定期的な較正サイクルで測定されて、前記温度制御装置(21.6b、21.7b)へ伝達され、
隣接する半導体レーザモードの間隔より小さく選ばれている波長範囲にある光線が、ファイバ格子帰還手段により半導体レーザに逆反射されることにより、上記パルス的動作を保証する、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、ファブリ・ペロー型レーザ(21.2)として構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1に記載の位置測定装置において、
ファイバ格子帰還手段には、次の部品:
−半導体レーザの出力側前部ファセット(21.4)の前に配置された集束光学系(21.5)
−集束光学系(21.5)の後に配置された光ファイバ(21.)
−光ファイバ(21.)に内蔵された反射ブラッグ格子(21.9)
を含んでいる、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1〜3の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザおよび/またはファイバ格子帰還手段が、少なくとも部分的に温度調節手段(21.6,21.7)と繋がっており、それを介してファイバ格子帰還手段の反射特性を、半導体レーザのモードの状態に一致させる、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1〜4の何れか一項に記載の位置測定装置において、
温度調節手段(21.6,21.7)には、温度調整要素(21.6a,21.7a)および温度制御装置(21.6b,21.7b)を含んでいる、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項3に記載の位置測定装置において、
光ファイバ(21.)が、シングルモード光ファイバとして構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、8〜12mmの範囲にある干渉長さを有している、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1〜7の何れか一項に記載の位置測定装置において、
半導体レーザが、20ns〜200nsの範囲にあるパルス時間を有する光パルスを発振する、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1〜8の何れか一項に記載の位置測定装置において、
分光光束が重なり合って干渉する前に分光光束の通過する分光光路が、異なった光学的経路長さを有して非対称で構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項9に記載の位置測定装置において、
基準尺(10;100)に相対的に可動自在である走査ユニット(20;200)が設けられており、その時に光源(21;201)が走査ユニット(20;200)から離れて配置されており、そして光源(21;201)が光ファイバー(2;20)を使って走査ユニット(20;200)と接続されている、ことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1〜8の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
これが干渉計として構成されている、ことを特徴とする位置測定装置。
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