JPH01502296A - 干渉計方式で長さを測定するレーザ干渉測距計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 干渉計方式で長さを測定するレーザ干渉測距計［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ干渉に基づき長さを測定するレーザ干渉測距計に関する。

〔技術的背景］ 詳しくは５本発明は、干渉計方式で長さを測定するレーザ干渉測距計であつて、 半導体レーザ発振器を備え、半導体レーザ発振器の出力レーザ光線が、ビーム分 割器によって、被測定可動対象物と結合された１つの反射器を含む２つの反射器 を備えた測定干渉計と。

レーザ光線の波長を調整する役割を行い固定反射器を備えた基準干渉計とに供給 され、基準干渉計は測定干渉計と空間的に隣接して配設され、基準干渉計の干渉 光線光束が、半導体レーザ発振器の出力レーザ光線の周波数を追従制御する制御 回路に接続された基準信号検出器に供給され、この制御回路によって基準信号検 出器の出力信号が一定に保持され、他方において、被測定長さに関する情報を包 含する測定干渉計の干渉光線光束が干渉信号検出器に入射し、その出力信号が可 動対象物の距離の変化を決定する評価装置に供給される形式のものに関する。

レーザ干渉測距計は、長さ１行程、速度などの幾何学的な量を把握するために長 さ測定技術において使用されている。特に工作機械および座標測定器において使 用されている。高精度を得るため、波長基準として使用されるレーザ光線に対す る環境空気の屈折率の影響を考慮することが必要である。空気温度、気圧および 空気湿度の変化にもとづく屈折率の影響のそのような考慮は、しばしばいわゆる パラメータ法によって行われ、この際、得られた結果によって長さの測定を補正 するため、空気温度、気圧および空気湿度の個々の測定から屈折率がめられる。

したがって、正しい測定結果が得られるまで時間的に遅れるだけでなく。

屈折率に影響を与えるパラメータが急速に変化した場合、前述の考慮を行うこと ができないため９間顕が生じる。

測定干渉計およびレーザ光線波長の調整に使用される基準（参照）干渉計によっ て長さを測定するレーザ干渉測距計は、西ドイツ特許出願公開第３４０４９６３ 号公報から知られている。基準干渉計は、使用された半導体レーザの周波数ない し波長を安定化するのに使用され、コンパクトでスペースをとらない構造にする ため、測定干渉計の光学的な要素と共にベース板に固定されている。レーザ光線 の波長を安定化させるために使用される基準干渉計のアームは、コンパクトにす るために小さくされたベース板と平行に、測定干渉計の測定アームにおける光線 の伝播方向と直角に延びている。この基準干渉計の光線が、測定アームに対して 側方に偏位した基準路反射器に達する行程において短い空気区間を通過するため 、レーザ光線波長を安定化する場合、ベース板上の空気の、温度、圧力および湿 度による。屈折率に対する影響に応じて補償が行われる。

［目的］ 本発明の基本的な課題は、レーザ干渉測距計の測定アームにおける測定路が、こ の測定路内の局部的な乱れおよび不均質性によって妨害された場合でも、高い測 定精度が得られるよう、冒頭に述べた形式のレーザ干渉測距計を改良することで ある。

［発明による課題の解決手段］ この目的は２本発明によれば、基準干渉計の基準路（区間）が、基準路の長さに 対して小さな側方の間隔を置いて測定干渉計の測定路（区間）と平行に測定路に 近似する行程だけ延び、基準路の半導体レーザ発振器と反対側の端部において基 準路反射器によって限定され、測定中は固定される基準路反射器の位置を、測定 路および基準路の縦方向に調整可能とすることによって達成される。

［作用及び効果Ｊ レーザ干渉測距計の測定アームにおける空気の屈折率が変化した場合、半導体レ ーザ発振器への供給電流および動作温度が、測定干渉計に沿って延びた基準干渉 計およびこれと接続された制御回路によって、空気の屈折率に対する真空波長の 比率、すなわち空気波長が、一定に維持されるように変化される。このようにし て、基準干渉計および測定干渉計が、はぼ同じ空気容積による影響を受けるため 、測定光線による実際に通過された空気容積に対する波長基準が一定の長さを有 するようになる。

本発明の好適な発展形態および実施態様が、請求の範囲の従属項に示されている 。

次に９図示された実施例によって１本発明を一層詳細に考察する。

［図面の簡単な説明］ 第１図は本発明による測定干渉計およびこれと結合された基準干渉計の概略図。

第２図は基準干渉計の出力信号に応じて半導体レーザを制御する制御回路を示し ている。

［実施例］ 幾何学的な量を干渉計方式で測定する第１図に示されたレーザ干渉測距計は、半 導体レーザ発振器１を使用しており、この半導体レーザ発振器１は、第１図にお いて、これに設けられたレンズ系２と共に概略的に示されている。レンズ系２を 通過するレーザ光線光束３は、主ビーム分割器４によって、基準光線光束５と測 定光線光束６とに分割される。

測定光線光束６は、第１図に概略的に示されマイケルソン干渉計として構成され た測定干渉計７を作動させるのに使用される。基準光線光束５は、転向鏡８を介 して、基準干渉計９としての役割を行う第２のマイケルソン干渉計に供給される 。

測定干渉計７に供給される測定光線光束６は、測定路（区間）ビーム分割器１０ によって第１の光束１１と第２の光束１２とに分割される。第１の光束１１は測 定反射器１３に達し、この測定反射器１３は三段反射器（Ｔｒｉｐｐｅｔｒｅｒ 　１ｅｃｔｏｒ、例えばキューブミラー・レトロレフレクタ−等の平行反射器） であり、第１の光束１１を測定信号検出器２０の方に方向変換する。

第２の光束１２は、測定路に沿って伝播し、最終的には、光束１２の伝播方向に 動くことが可能な測定路反射器１４に達し、この測定路反射器１４は同様に三段 反射器であり２例えば被測定対象の動き、または被測定対象の輪郭に追従する。

測定路（区間）の長さは１例えば１ｍめ大きさにすることができる。測定路反射 器１４の二方向矢印１５の方向の動きは１例えば同様に１ｍの大きさにすること ができる。

測定路反射器１４によって側方に偏位して逆反射され測定路ビーム分割器ＩＯの 裏側に達し、これによって第２の光束１２が測定信号検出器２０の方に方向変換 され。

その際、第２の光束１２が第１の光束１１と共に干渉光線光束１６を形成する。

被監視対象物の移動または被検出輪郭の推移に応じて、可動の測定路反射器１４ を動かす場合、第２の光束１２の進む距離および測定干渉計７の循環位相が変化 し、したがって、測定信号検出器２０において一連の信号最大値および信号最小 値が、光の波長、および測定路ならびに測定路反射器１４の移動路における媒体 の屈折率に応じて生じる。

波長基準としての役割をする波長の、屈折率の変化によって生じる変化が、補償 されない場合、測定信号検出器２０における干渉信号が第２の光束１２が通過す る媒体の屈折率に依存するため、測定誤差が生じる場合がある。

第１図に概略的に示された干渉計の場合、測定干渉計７に使用されている第２の 光束１２の波長が空気中において一定に保持されるように、屈折率の変化に応じ て半導体レーザ光線の周波数ないし真空波長を追従制御するため、屈折率の影響 の補償が、屈折率の変化を検出する前述の基準干渉計９によって行われる。

基準光線光束５は、転向鏡８によって方向変換が行われた後、測定干渉計７と同 様に基準路（区間）ビーム分割器１７を備えた基準干渉計９に達する。基準路ビ ーム分割器１７によって方向変換された第１の基準光線光束１８は、基準反射器 ２１によって方向が逆転され。

基準路ビーム分割器１７を通過した後、基準信号検出器２２に達する。この基準 信号検出器２２は、半導体レーザ発振器１と同様に、第２図に示された回路装置 に接続されるが、測定信号検出器２０に対応する測定路を評価する回路装置は図 に示されていない。

転向鏡８と反対の基準ビーム分割器１７の側において、第２の基準光線光束１９ が２例えば１ｍの長さを有する基準路に沿って伝播し、固定した基準路反射器２ ４に達する。この基準路反射器２４は、測定路反射器１４と異なり、規定された 位置に設けられているが、測定路の（区間）長さに適合させるため、基準路の長 さを調整する装置を設けることができる。

測定干渉計７における温度、気圧、空気湿度および空気組成の変化を基準干渉計 ９によっても可及的に把握されるようにするため、測定干渉計７の測定路と基準 干渉計９の基準路との間の側方の間隔は、可及的に小さくされ１例えば僅かに１ ０１１にされている。この理由から、第２の光束１２と第２の基準光線光束１９ と゛が可及的に互いに接近しているのみならず、測定路における殆んどすべての 局限された障害が基準路によつ、て検出されることを保証するため、基準路と測 定路とが互いに匹敵する長さに延びている。

基準路反射器２４によって入射方向と平行に側方に偏位して逆方向へ反射された 第２の基準光線光束１９は。

干渉光線光束２６が形成されるように、基準路ビーム分割器１７によって基準信 号検出器２２の方に方向変換される。基準信号検出器２２に入力する信号は、循 環（サイクル）位相に応じて最小値、最大値またはフランクにある。

第２図に示されている制御回路は、基準路における屈折率が変化しても、基準信 号検出器２２における干渉信号を一定に保持するのに使用される。これは、半導 体レーザ発振器１の電流および温度の電子制御によって行われ、その場合、基準 路媒体における真空波長の基準路媒体の屈折率に対する比、すなわち基準路の媒 体における実際の波長が、一定に保持されるように。

半導体レーザ発振器１の真空波長ないし周波数が変化される。

測定基準としての役割をする実際の波長が、基準路および測定路の媒体において 媒体の屈折率の変動と無関係に一定に維持されるように、半導体レーザ発振器１ の出力レーザ光線の真空波長またはその周波数を変化させるため、第２図から判 るように、基準信号検出器２２は、制御プログラムおよび安定化プログラムが記 憶されたマイクロプロセッサ３２の１つの入力端子に。

増幅器３０およびアナログ／ディジタル変換器３１を介して給電する。

さらに、半導体レーザ発振器１によって同様に照射されたホトダイオード３３の 信号がマイクロプロセッサ３２に供給される。このホトダイオード３３は監視ダ イオードとして使用され、その出力信号は、半導体レーザ発振器１の供給電流お よび温度が所定の範囲内に維持されるようにするため、増幅器３４およびしきい 値判別回路３５を介してマイクロプロセッサ３２に供給される。

ホトダイオード３３によって行われる保護作用は２例えば半導体レーザ発振器１ が最大出力に達した場合。

電流調整および温度調整の限定がマイクロプロセッサ３２によって行われるよう に作用する。

電流目標値発生器３６および温度目標値発生器３７が。

同様にマイクロプロセッサ３２の入力端子に接続され。

このマイクロプロセッサ３２は、電流制御出力端子３９および温度制御出力端子 ３８を介して半導体レーザ発振器１の供給電流および温度を制御する。

電流制御出力端子３９がディジタル／アナログ変換器４０を介して電流調整器４ 工の入力端子に接続され、電流調整器４１の出力導線４２に半導体レーザ発振器 １が接続されている。電流調整器４１は演算増幅器４３を備え、この演算増幅器 ４３は、ディジタル／アナログ変換器４０および電流目標値発生器３Ｂから供給 された信号の集計が行われるように抵抗４４〜４９と接続されている。

マイクロプロセッサ３２の温度制御出力端子３８はディジタル／アナログ変換器 ５０に接続され、その出力が温度調整器５１に供給される。温度調整器５１は、 温度目標値発生器３７のほかに演算増幅器５３および抵抗５４．５５゜５Ｂを備 え、これらの抵抗はそれぞれ演算増幅器５３の非反転入力端子に接続されている 。演算増幅器５３の反転入力端子は温度センサ５７に接続され、この温度センサ ５７は熱的に半導体レーザ発振器１と結合されて温度を検出する。

演算増幅器５３の出力端子は、同様に半導体レーザ発振器１と熱的に結合された ベルチェ冷却器５８に接続されている。半導体レーザ発振器１の真空波長または 周波数に対する比較的ゆっくりした粗調整はペルチェ冷却器５Ｂによって行うこ とができるが、第２図に矢印５９によって示されている測定路および基準路にお ける時間的に速く変化する屈折率の影響を補償するため、出力導線４２による電 流の供給によって高速で慣性のない微調整を行うことができる。

符表平１−５０２２９６（５） ″　”　””９ＣＴ／ＤＥ　８８１０００ｇ９

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．干渉計方式で長さを測定するレーザ干渉測距計であって，半導体レーザ発振 器を備え，該半導体レーザ発振器の出力レーザ光線が，ビーム分割器によって， 被測定可動対象物と結合された１つの反射器を含む２つの反射器を備えた測定干 渉計と，レーザ光線の波長を調整する役割を行い固定反射器を備えた基準干渉計 とに供給され，基準干渉計は測定干渉計と空間的に隣接して配され，基準干渉計 の干渉光線光束が，半導体レーザ発振器の出力レーザ光線の周波数を追従制御す る制御回路に接続された基準信号検出器に供給され，該制御回路によって基準信 号検出器の出力信号が一定に保持され，他方において，被測定長さに関する情報 を包含する測定干渉計の干渉光線光束が干渉信号検出器に入射し，その出力信号 が可動対象物の距離の変化を決定する評価装置に供給される形式のものにおいて ，基準干渉計（９）の基準路（１９）が，基準路（１９）の長さに対して小さな 側方の間隔を置いて測定干渉計（７）の測定路（１２）と平行に測定路（１２） とほぼ等しい行程だけ延びると共に，基準路（１９）の半導体レーザ発振器（１ ）と反対側の端部において基準路反射器（２４）によって限定され，測定中は固 定される基準路反射器（２４）の位置が，測定路（１２）および基準路（１９） の縦方向に調整可能であることを特徴とする，干渉計方式で長さを測定するレー ザ干渉測距計。
2. ２．制御回路（３０〜５８）が，半導体レーザ発振器（１）と熱的に結合された ベルチェ冷却器（５８）に接続されることを特徴とする，請求項１記載のレーザ 干渉測距計。
3. ３．制御回路（３０〜５０）が，半導体レーザ発振器（１）と熱的に結合された 温度センサ（５７）を備えることを特徴とする，請求項２記載のレーザ干渉測距 計。
4. ４．制御回路（３０〜５８）がマイクロプロセッサ（３２）を備え，このマイク ロプロセッサ（３２）によって，基準信号検出器（２２）から供給された実際値 が供給電流の目標値および半導体レーザ発振器（１）の動作温度と結合されるこ とを特徴とする，請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ干渉測距計。
5. ５．半導体レーザ発振器（１）の出力レーザ光線が入射する感光性の監視ダイオ ード（３３）が投げられ，この監視ダイオード（３３）によって，半導体レーザ 発振器（１）の供給電流および動作温度が限定されることを特徴とする，請求項 ４記載のレーザ干渉測距計。
6. ６．基準信号検出器（２２）の一定に保持された出力信号が，干渉信号の最大値 ，最小値またはフランクに対応することを特徴とする，請求項１ないし５のいず れかに記載のレーザ干渉測距計。
7. ７．基準干渉計（９）の基準路が，測定干渉計（７）の測定路と平行に数ｃｍの 側方への間隔を置いて延びることを特徴とする，請求項１ないし５のいずれかに 記載のレーザ干渉測距計。