JPH02248803A - レーザー干渉測長計 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザー光の干渉縞に基づいて、測定対象物
の形状、変位、移動速度等を測定するレーザー干渉測長
計に関するものである。

（従来の技術） 斯種レーザー干渉測長針として従来より種々の構成を具
えたものが提案されており（例えば特開昭６ｌ−２１５
９０３）、半導体レーザーを光源とする干渉測長計の基
本的な構成を第６図に示す。

半導体レーザー（２）は、駆動制御回路（３８）から駆
動電流を供給されて、所定発振周波数のレーザー光を出
射し、該レーザー光はコリメータレンズ（６）を通過し
て平行ビームに整形された後、ビームスプリッタ−（１
２）へ送られて分光される。

ビームスプリッタ−（１２）にて反射された第１のレー
ザー光は、１／８波長板（３９）を経て固定反射鏡（４
０）により反射され、ビームスプリッタ−（１２）を透
過した第２のレーザー光は移動物体に取り付けられた移
動反射鏡（１５）にて反射された後、ビームスプリッタ
−（１２）にて再び１本の光線に合成される。この際、
光の干渉が起こる。該干渉光は更に偏光ビームスプリッ
タ−（１６）にて直進透過させるＰ偏光成分と垂直に反
射させるＳ偏光成分に分離され、これらの光成分が夫々
受光素子（１７）　（１８）にて電気信号に変換される
。

前記電気信号は位相判別・パルス計数回路（４２）へ送
られ、これによって移動反射鏡（１５）の移動方向が判
別されると共に、移動距離に応じた干渉縞の数が計数さ
れるのである。

（解決しようとする課題） 半導体レーザーは、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等に比べて小形
軽量で比較的高出力が得られるため、半導体レーザーを
光源とする測長計に於いて、装置全体を従来よりも小形
軽量化することが検討されている。

しかし、レーザー光に偏光、干渉等の処理を施すべき光
学系は、ビームスプリッタ−（１２）、１／８波長板（
３９）、固定反射鏡（４０）等の多数の光学素子から構
成されているため、測長針の小形軽量化に限界があった
。

又、測長針の組立時に、多数の光学素子の光軸を、夫々
所定の光路上に正確に一致せしめる光軸合せの作業が極
めて困難であり、多大な労力を要していた。

そこで本発明の目的は、従来の１／８波長板を省略出来
る干渉測長計を提供し、測長計の小形軽量化を図ること
である。

又、更に本発明の目的は、干渉測長計の組立時に、ビー
ムスプリッタ−及び固定反射鏡の光軸合せを容易に行な
うことが出来る構造のレーザー干渉測長計を提供するこ
とである。

（課題を解決する為の手段） 小形軽量化を図るべく構成した測長計に於いては、ビー
ムスプリッタ−（１２）にて分光した一方のレーザー光
（第１レーザー光）の置薬する二つの偏光成分の間に所
定の位相差を設ける為の位相差設定手段が、第１レーザ
ー光を複数回の全反射を経て再びビームスプリッタ−（
１２）へ戻す固定反射鏡（１３）によって構成されてい
る。

該固定反射鏡（１３）を構成する媒質は、前記複数回の
全反射によってレーザー光の直交する二つの偏光成分の
間に前記所定の位相差を生じせしめる屈折率を有してい
る。

又、光軸合せを容易化するべく構成した測長計に於いて
は、ビームスプリッタ−（１２）及び固定反射鏡（１３
）が円筒ホルダー（２６）内に固定される。

該円筒ホルダー（２６）は、第１レーザー光の光軸と略
平行な中心軸を有し、且つレーザー光の入射孔（２６ａ
）及び出射孔（２６ｂ）を具えており、レーザー（２）
が取り付けられた機台上に、前記中心軸回りの角度を調
整して固定されている。

（作　用） 第１レーザー光が固定反射鏡（１３）にて複数回に亘っ
て全反射される際、該反射鏡（１３）を形成する媒質の
屈折率によって、全反射の度に入射面に垂直な偏光成分
と水平な偏光成分の間に位相差が生じ、最終的にビーム
スプリッタ−（１２）へ戻るレーザー光の画成分間には
、所定の位相差（一般的には９０度）が設定されること
になる。

又、ビームスプリッタ−（１２）の光軸合せを行なう際
、円筒ホルダー（２６）をその中心軸回りに回転させる
ことにより、該ホルダー内のビームスプリッタ−（１２
）及び固定反射鏡（１３）が一体となって回転し、これ
らの光軸の向きが入射レーザー光の光軸に対して連続的
に変化し、その過程で、ビームスプリッタ−（１２）及
び固定反射鏡（１３）の光軸が設定位置となる所定の向
きに一致するポイントが生じる。このポイントで円筒ホ
ルダー（２６）を機台上に固定し、光軸合せを完了する
。

（発明の効果） 本発明のレーザー干渉測長針に於いては、固定反射鏡（
１３）目体によってレーザー光に所定の位相差が設けら
れるから、従来の１／８波長板は省略することが出来、
これによって測長計の小形軽量化が可能である。

又、単に円筒ホルダー（２６）を回転調整するだけで、
ビームスプリッタ−（１２）及び固定反射鏡（１３）の
光軸合せを行なうことが出来るから、その作業が極めて
容易である。

（実施例） 以下、第１図乃至第５図に基づいて、本発明に係るレー
ザー干渉測長針の一実施例について説明する。

尚、実施例は本発明を説明するためのものであって、特
許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮す
る様に解すべきではない。

第１図に示す如く本発明の測長計に於いては、半導体レ
ーザー（２）、ビームスプリッタ−（７）（１２）、固
定反射鏡（１３）等の固定光学素子を、レーザー光出射
用の光学ガラス窓（１４）を具えた後述の密閉ケーシン
グ内に収容配備して、一体のレーザ光源及び干渉ユニッ
ト（１）を構成し、一方、移動反射鏡（１５）は測定対
象物に取り付けられる。

又、レーザ光源及び干渉ユニット（１）には、半導体レ
ーザー（２）の制御や干渉縞の計数等を行なう後述の電
気回路が接続される。

レーザ光源及び干渉ユニット（１）内の半導体レーザー
（２）には、レーザー素子の温度を一定に保つための電
子冷却素子（３）が取り付けられる。尚、電子冷却素子
（３）に対する通電量は、外気温度に応じて動作する温
度コントロール回路（４）によって制御されている。

半導体レーザー（２）は図の紙面に対して４５度の直線
偏光のレーザー光を出射し、該レーザー光はコリメータ
レンズ（６）を経て平行ビームとなり、第１のビームス
プリッタ−（７）へ送られて三方される。一方のレーザ
ー光はファブリ・ベロ干渉計（２８）を透過し、該透過
光は受光素子（１１）にて電気信号に変換される。

ファブリ・ペロ干渉計（２８）は、その光透過率が最大
となる中心波長がレーザー光の目標発振波長と一致する
様に設定されている。従って、半導体レーザー（２）か
ら出射されたレーザー光の発振波長が前記中心波長に一
致しているときは、受光素子（１１）へ送られる透過光
の光量が最大となって、受光素子（１１）の出力レベル
が最大となり、中心波長からずれると、透過光量が減少
して受光素子（１１）の出力レベルは低下することにな
る。

駆動制御回路（３８）は、所定の基準信号を発生する基
準信号発生回路（３８ａ）と、前記基準信号に基づいて
半導体レーザー（２）へ供給すべき駆動電流を発生する
レーザー駆動回路（３８ｂ）と、前記受光素子（１１）
からの電気信号及び前記基準信号に基づき、目標波長と
の誤差に応じた偏差信号を作成する波長誤差検出回路（
３８ｃ）とから構成される。

これによって、半導体レーザーの発振周波数が前記偏差
信号を零に収束せしめる様に制御され、レーザ光の発振
波長が一定値に維持されるのである。尚、波長誤差検出
回路（３８ｃ）の出力信号を温度コントロール回路（４
）へ供給することによっても同様の制御が可能である。

ビームスプリッタ−（７）を透過した光は更に第２のビ
ームスプリッタ−（１２）にて三方され、一方のレーザ
ー光は固定反射鏡（１３）へ入射する。

該固定反射鏡（１３）は、空気に対する屈折率が略１．
５５のガラスによって形成した三角プリズムであって、
該三角プリズム中の２回の全反射によって、反射面と垂
直な面に電解ベクトルを持っＳ偏光成分と平行な面に電
解ベクトルを持っＰ偏光成分の間には９０度の位相差が
設けられる。この様に９０度の位相差を設けるのは、周
知の如く移動反射鏡（１５）の移動方向を判別する為で
ある。

第５図は、光学素子用ガラスの空気に対する屈折率と、
入射角４５度の全反射を２回繰り返すことによって生じ
るＳ偏光成分及びＰ偏光成分間の位′相差との関係を表
わしており、屈折率が１．５５のときに９０度の位相差
が得られることが明らかである。

第２図の如く、半導体レーザー（２）から出射された４
５度直線偏光のレーザー光はＰ偏光成分とＳ偏光成分と
が同位相であるが、固定反射鏡（１３）にて反射されて
ビームスプリッタ−（１２）へ戻ルレーザー光は、前記
２回の全反射により図示の如くＰ偏光成分とＳ偏光成分
の間に９０度の位相差が生じている。

ビームスプリッタ−（１２）を透過した光は、第１図の
如く光学ガラス窓（１４）を経てコーナキューブからな
る移動反射鏡（１５）へ入射し、その反射光は再び光学
ガラス窓（１４）を経てビームスプリッタ−（１２）へ
戻る。該反射光には、第２図の如くＰ偏光成分とＳ偏光
成分の間に位相差はない。

ビームスプリッタ−（１２）に戻った第１及び第２レー
ザー光はビームスプリッタ−（１２）にて合成され、互
いに干渉する。該干渉光は更に偏光ビームスプリッタ−
（１６）へ送られ、これによってＳ偏光成分とＰ偏光成
分に分離され、これらの光成分が夫々第１及び第２の受
光素子（１７）　（１８）にて電気信号に変換される。

この結果、第１受光素子（１７）によりＳ偏光成分の干
渉縞がｓｉｎ信号として検出され、第２受光素子（１８
）によりＰ偏光成分に生じている干渉縞がｃ。

Ｓ信号として検出されることになる。

第１図の如く前記受光素子（１７）　（１８）からのｓ
ｉｎ信号及びｃｏｓ信号は、夫々交流増幅器（１９）　
（２０）を経て位相判別・パルス発生器（２１）へ送ら
れ、両信号の位相変化から移動反射鏡（１５）の移動方
向が検出されると共に、該移動方向に応じてＵＰパルス
或はＤＯＷＮパルスが作成され、アップダウンカウンタ
ー（２２）へ送られる。

カウンター（２２）は前記パルスを計数し、その計数デ
ータを情報処理回路（２３）へ送出する。情報処理回路
（２３）は前記計数データに対して、必要な補正、換算
等を施して、移動反射鏡（１５）の移動短離を算出する
ものである。

第１図に破線で囲ったレーザ光源及び干渉ユニット（１
）の光学系、即ち半導体レーザー（２）、ビームスプリ
ッタ−（７）（１２）、ファブリ・ペロ干渉計（２８）
等は第３図の如く小型の密閉ケーシング（２４）内に配
備される。

コリメータレンズ（６）の前方に第１アセンブリ（８）
が位置決め固定される。該第１アセンブリ（８）は、ビ
ームスプリッタ−（７）及びファブリ・ペロ干渉計（２
８）を円筒ホルダー（２５）内の同軸上に固定して構成
され、該ホルダーには、ビームスプリッタ−（７）に対
するレーザー光の入射孔（２５ａ）と出射孔（２５ｂ）
が開設されている。又、ファブリ・ペロ干渉計（２８）
を構成する一対のミラー間の共振空間はシリコーンチュ
ーブ（９）を経て、ケーシング（２４）の外壁に取り付
けた防塵用エアフィルター（ｌＯ）へ連通している。

従って、ケーシング（２４）内の光学系の収容空間が外
気に対して気密状態に維持される七共に、ファブリ・ペ
ロ干渉計（２８）の共振空間が、前記光学系収容空間か
ら遮断されると共に、連絡管（９）及びフィルター（ｌ
Ｏ）を経て外気と通じることになる。

この結果、ファブリ・ペロ干渉計（２８）は測長雰囲気
中にて動作し、半導体レーザーから出射されるレーザー
光の発振波長は、環境状況の変化に拘わらず、所定値に
正確に維持されるのである。

第３図の如く第１アセンブリ（８）の前方には、第２ア
センブリ（２７）が位置決め固定される。該第２アセン
ブリ（２７）は、接着剤により互いに接合−体化したビ
ームスプリッタ−（１２）及び固定反射鏡（１３）を円
筒ホルダー（２６）内に固定して構成され、該ホルダー
には、レーザー光の入射孔（２６ａ）と出射孔（２６ｂ
）が開設されている。

尚、前記第１及び第２アセンブリ（８）（２７）の円筒
ホルダー（２５）　（２６）は、後述の回転調整を経た
後、夫々ケーシング（２４）の底面上に設けた支持ガイ
ド部（図示省略）に接着剤で固定されると共に、固定金
具（図示省略）によって上方から押さえられ、移動不能
に拘持されている。

第２アセンブリ（２７）のビームスプリッタ−（１２）
及び固定反射鏡（１３）の光軸合せは、第４図の如く円
筒ホルダー（２６）を前記支持ガイド部上にて中心軸回
りに回転させることによって行なわれる。

即ち、円筒ホルダー（２６）の回転に伴ってビームスプ
リッタ−（１２）及び固定反射鏡（１３）が一体に回転
し、これらの光軸の向きが入射レーザー光の光軸に対し
て連続的に変化し、その過程で、ビームスプリッタ−（
１２）及び固定反射鏡（１３）の光軸が所定の向きに一
致するポイントが生じる。この状態で円筒ホルダー（２
６）をケーシング上に固定すれば、光軸合せが完了する
。

尚、ビームスプリッタ−（１２）及び固定反射鏡（１３
）の光軸のずれ方向に拘わらず、単に円筒ホルダー（２
６）の回転調整によって、光軸合せを正確に行なうこと
が可能な点については、コンピュータシミュレーション
によって確認されている。

第１アセンブリ（８）のビームスプリッタ−（７）の光
軸合せも同様に、円筒ホルダー（２５）の回転調整によ
って正確に行なうことが出来る。

上記干渉測長計に於いては、半導体レーザー（２）を含
む全ての固定光学素子が、予め一体のケーシング（２４
）内に位置決め固定されているから、光軸精度と耐環境
性が保証されるばかりでなく、従来の１／８波長板の省
略によって、ケーシング（２４）の小形化が可能である
。

図面及び上記実施例の説明は、本発明を説明するための
ものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、
或は範囲を減縮する様に解すべきではない。

又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求
の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である
。

例えば、固定反射鏡（１３）は三角プリズムに限らず、
複数回の全反射によって所定の位相差を生じるものであ
れば、コーナーキューブ、その他の光学素子であっても
可いのは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したレーザー干渉測長計の光路及
び構成を示すブロック図、第２図はビームスプリッタ−
を包囲する光学系の構成及びレーザー光の垂直及び水平
偏光成分の位相差を説明する斜面図、第３図はレーザ光
源及び干渉ユニットの一部破断斜面図、第４図はビーム
スプリッタ−及び固定反射鏡の光軸合せを説明する斜面
図、第５図はガラスの屈折率と全反射によって生じるレ
ーザー光の位相差との関係を示すグラフ、第６図は従来
の測長計を示すブロック図である。 （１）・・・レーザ光源及び干渉ユニット（２）・・・
半導体レーザー （７）　（１２）・・・ビームスプリッタ−（１３）・
・・固定反射鏡 （１５）・・・移動反射鏡 第５図 屈折率

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］１本のレーザー光を第１及び第２のレーザー光に
   分光するビームスプリッター（１２）と、前記第１レー
   ザー光の直交する二つの偏光成分の間に所定の位相差を
   設ける位相差設定手段と、測定対象物に取り付けられ前
   記第２レーザー光を反射する移動反射鏡（１５）とを具
   え、位相差設定手段を経た第１レーザー光と反射鏡にて
   反射された第２レーザー光とをビームスプリッター（１
   ２）にて干渉せしめ、該干渉縞に基づいて、移動反射鏡
   （１５）の移動方向と移動距離を測定するレーザー干渉
   測長計に於いて、前記位相差設定手段は、ビームスプリ
   ッター（１２）からの第１レーザー光を複数回の全反射
   を経て再びビームスプリッター（１２）へ戻す固定反射
   鏡（１３）によって構成され、該固定反射鏡（１３）を
   構成する媒質は、前記複数回の全反射によってレーザー
   光の直交する二つの偏光成分の間に前記所定の位相差を
   生じせしめる屈折率を有していることを特徴とするレー
   ザー干渉測長計。 ［２］一本のレーザー光を互いに直交する方向に進む第
   １及び第２のレーザー光に分光するビームスプリッター
   （１２）と、前記第１レーザー光を反射する固定反射鏡
   （１３）と、測定対象物に取り付けられ前記第２レーザ
   ー光を反射する移動反射鏡（１５）とを具え、両反射鏡
   にて反射された第１及び第２レーザー光を前記ビームス
   プリッター（１２）にて互いに干渉せしめ、該干渉縞の
   次数に基づいて移動反射鏡（１５）の移動距離を測定す
   るレーザー干渉測長計に於いて、ビームスプリッター（
   １２）及び固定反射鏡（１３）は、第１レーザー光の光
   軸と略平行な中心軸を有し且つレーザー光の入射孔（２
   ６ａ）及び出射孔（２６ｂ）を具えた円筒ホルダー（２
   ６）内に固定され、該円筒ホルダー（２６）は、レーザ
   ー（２）が取り付けられた機台上に、前記中心軸回りの
   角度を調整して固定されていることを特徴とするレーザ
   ー干渉測長計。