JPH10170217A - 測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学干渉形の測定装置において、干渉縞の繰
返しピッチを任意の長さとする。また、原点復帰を必要
とせずに対象物の位置の絶対測定を可能とする。 【解決手段】 コヒーレントで互いに角度の異なる２本
の平行光束を発する光源と、位置を測定する対象物に固
定され、前記２本の平行光束を入射方向と同一方向に反
射する反射器と、前記２本の平行光束を互いに平行な光
軸上に合成する合波器と、前記合成された２本の光束の
干渉強度を測定する光検出器を備えた。また、前記角度
差が異なり、感度の異なる測長装置を複数組備えて、位
置の絶対測定ができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】工作機等における対象物の位
置や移動距離を測定する測長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下に従来の干渉測長器を図１４を用い
て説明する。図において、１４０１は波長が安定で、か
つコヒーレントな光源、１４０２はビームスプリッタ、
１４０３はプローブコーナーキューブ、１４０４は固定
コーナーキューブ、１４０５はλ／８板、１４０６は偏
光ビームスプリッタ、１４０７ａ，１４０７ｂ，１４０
７ｃは偏光板、１４０８ａ，１４０８ｂ，１４０８ｃは
検出器、１４０９ａ，１４０９ｂ，１４０９ｃは増幅
器、１４１０ａ，１４１０ｂは減算器、１４１１はカウ
ンタである。

【０００３】次に動作について説明する。光源１４０１
を出射した光波はビームスプリッタ１４０２により２分
され、一方はプローブコーナーキューブ１４０３に、他
方はλ／８板１４０５を通過して固定コーナーキューブ
１４０４に入射する。各々のコーナーキューブで反射さ
れた光波は再び前記ビームスプリッター１４０２に入射
し、合成された光波が一方は偏光板１４０７ａを通過し
て検出器１４０８ａに向い、他方は偏光ビームスプリッ
ター１４０６に向う。更に前記偏光ビームスプリッター
１４０６で２分割された光波は、それぞれ偏光板１４０
７ｂ，１４０７ｃを通過して検出器１４０８ｂ，１４０
８ｃに入射する。各々の検出器では、前記プローブコー
ナーキューブ１４０３と固定コーナーキューブ１４０４
での光路差に起因した干渉信号が得られ、偏光板１４０
７ａ，１４０７ｂ，１４０７ｃのそれぞれの偏光方位の
設定により、各々の干渉出力がプローブコーナーキュー
ブ１４０３の移動に対して、それぞれの偏光方位の設定
により、各々の干渉出力がプローブコーナキューブ１４
０３の移動に対して、それぞれ９０°づつ位相が異なっ
て出力される。各々の検出器１４０８ａ，１４０８ｂ，
１４０８ｃの信号は増幅器１４０９ａ，１４０９ｂ，１
４０９ｃで増幅されたのち減算器１４１０ａ，１４１０
ｂで減算され９０°位相のずれた信号としてカウンタ１
４１１で増減され、位置として出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の干渉測長装置
は、以上のように構成されているので、干渉信号は上記
プローブコーナキューブがλ／２移動するに伴って正弦
波状に１周期変化する繰返し信号として現れ、該干渉周
期は光波長λを変えなければ変化させることが出来な
い。このため、半波長λ／２を越える測長を行う場合に
は、繰返した干渉周期数を積算するインクリメンタル式
の計測をしなければならず、絶対位置の検出が必要な場
合には、上記の干渉測長器は初期動作として他の検出手
段による原点復帰が必要であり、また、該干渉周期の誤
カウントによって発生した累積誤差は原点復帰をしない
限り解消されないといった課題があった。

【０００５】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、干渉周期を光波長を変化させず
に所望の値に設定可能とし、原点復帰を必要とせずに絶
対値の測定信号を得ることができる測長装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の構成に
よる測長装置は、コヒーレントで互いに角度の異なる２
本以上の平行光束を発する光源と、位置を測定する対象
物に固定され、上記２本以上の光束をそれぞれの入射方
向と同一方向に反射する反射器と、上記２本以上の光束
を互いに平行な光軸上に合成する合波器と、上記合成さ
れた２本以上の光束の干渉強度を測定する光検出器とを
備えたものである。

【０００７】この発明の第２の構成による測長装置は、
第１の構成において、上記光源は、同一の光源からの光
束を２本以上の互いに異なる角度の光束に分波する分波
光学系を備えたものである。

【０００８】この発明の第３の構成による測長装置は、
第１の構成において、上記反射器の少なくとも１つは回
折格子であり、入射光を同一方向に反射する回折波を発
生する格子ピッチを備えたものである。

【０００９】この発明の第４の構成による測長装置は、
第１の構成において、前記反射器が１８０°の偏角を有
するプリズムまたは組合わせミラーを備えたものであ
る。

【００１０】この発明の第５の構成による測長装置は、
コヒーレントで互いに角度の異なる２本以上の平行光束
を発する光源と、位置を測定する対象物に固定され、上
記２本以上の光束の１つを入射方向と同一方向に反射す
る反射器と、他の光束の１つを前記光束に対して入射時
と逆の傾きをもった角度に反射する反射器と、上記２つ
の光束を互いに平行な光軸上に合成する合波器と、上記
合成された２つ以上の光束の干渉強度を測定する光検出
器とを備えたものである。

【００１１】この発明の第６の構成による測長装置は、
コヒーレントで周波数が異なり、互いに角度の異なる２
本以上の平行光束を発行する光源と、位置を測定する対
象物に固定され、上記２本以上の光束をそれぞれの入射
方向と同一の方向に反射する反射器と、上記２本以上の
光束を互いに平行な光軸上に合成する合波器と、上記合
成された２本以上の光束の干渉によって生じる上記周波
数の差に等しいビート信号を検出する光検出器と、上記
ビート信号の位相変化を測定する位相検出器とを備えた
ヘテロダイン方式としたものである。

【００１２】この発明の第７の構成による測長装置は、
第６の構成において、上記２本以上の平行光束の少なく
とも１つに偏向手段を備え、偏向前後における前記ビー
ト信号の位相の差を求めることにより、前記ビート信号
の繰返し周期より長い距離にわたって位置の絶対測定を
行う用にしたものである。

【００１３】この発明の第８の構成による測長装置は、
前記異なる角度の角度差の異なる第１の構成の測長装置
を複数組備え、１組の測長装置の干渉周期に対応する距
離を、他の１組の測長装置の干渉周期の内挿分解能距離
より長く構成したものである。

【００１４】この発明の第９の構成による測長装置は、
前記異なる角度の角度差の異なる第５の構成の測長装置
を複数組備え、１組の測長装置のビート信号の繰返し周
期に対応する距離を、他の１組の測長装置のビート信号
の繰返し周期の内挿分解能距離より長く構成し、上記複
数組の測長装置の少なくとも１組の測長装置には平行光
束の１つに偏向手段を備えたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の実施の形態の図につい
て説明する。図１は、この発明の第１の実施の形態を示
す構成図である。図において、１０１はコヒーレントな
平行ビームを発生する光源、１０２は前記平行ビームを
第１及び第２の２方向に分波する分波器、および第１及
び第２の方向方向より入射した平行ビームを１方向に合
波する合波器を兼ねた合分波器、１０３及び１０４は入
射した前記平行ビームを光軸を変えることなく反射する
第１及び第２の反射器、１０５は前記第１及び第２の反
射器１０３及び１０４を装着し１方向に自在に移動する
位置測定対象、１０６は前記合分波器１０２により分波
された第２の方向の平行ビームを前記第２の反射器１０
４に所定角度θで斜めに入射せしめるように折り曲げる
反射鏡であり、合分波器１０２とともに分波光学系を構
成している。１０７は前記合分波器１０２により合波せ
しめられた平行ビームの強度を検出する光検出器であ
る。また、図２は第２の反射器の１例を示す図で、２０
１及び２０２は反射鏡であり、各々前記第１及び第２の
反射器１０３及び１０４に相当する。

【００１６】次に本実施の形態の動作について説明す
る。本実施の形態において位置を測定すべき対象は前述
のように１０５であり図中測定対象１０５の下側に描い
た矢印の方向に稼動する例えば加工機におけるリニアテ
ーブルにより駆動されるものであり、本実施の形態では
これがリニアモーター、ボールネジ等の駆動機構により
移動する。移動機構外部の固定部に取付けられた前記光
源１０１より出射した平行ビームＡは、前記合分波器１
０２に入射し２方向Ｂ及びＣに分岐される。本実施の形
態に於いては平行ビームＢの方向は前記測定対象１０５
の移動方向に平行となるように設置されている。該平行
ビームＢは測定対象１０５のビーム入射側端面に装着せ
しめられた反射器１０３に入射し全く同一の方向に反射
せしめられ合分波器１０２に戻る。なお、図では入射及
び反射ビームを分かり易くするために敢えてビームをず
らせて表示したが、実際は重なっており、後述する平行
ビームＣについても同様である。前記合分波器１０２よ
り分岐せしめられた平行ビームＣは前記反射鏡１０６に
より前記測定対象１０５の移動方向つまり平行ビームＢ
の方向に対して所定角度θ傾いたビームに変換されて前
記第２の反射器１０４に入射し、前記平行ビームＢと同
様に同一の光路上を前記合分波器１０２に戻り、合分波
器１０２により前記平行ビームＢと合波せしめられて平
行ビームＤとなり前記光検出器１０７によりその強度が
出力される。

【００１７】前記光源１０１は前述したようにコヒーレ
ントであるので、合波平行ビームＤは反射平行ビームＢ
及びＣにより干渉し、各々の位相変化に応じて変調を受
ける。前記反射器１０４により同一光路上に平行ビーム
を反射する条件は、図２における反射鏡２０１の様に角
度θ傾いた平行ビームＣに対し垂直入射となるように配
置した平面鏡と同じ位相変化を該平行ビームＣに与える
反射器として作用し、簡単のため平行ビームＢ及びＣの
出射点を原点Ｏとしてこの位置における位相差を０と
し、原点Ｏから反射鏡２０２迄の距離つまり原点から測
定対象までの光路長をＬとすると、平行ビームＢと平行
ビームＣの光路差Δは、 Δ＝２（Ｌ−Ｌｃｏｓθ）＝２Ｌ（１−ｃｏｓθ） となる。一方、マイケルソン型等の一般の干渉計測シス
テムでは、光路差は２Ｌであるから、本実施の形態に於
いては干渉計の感度が１−ｃｏｓθに変化せしめられ
る、又は干渉周期が１／（１−ｃｏｓθ）に拡大される
ことになる。また、この感度又は干渉周期は傾き角θの
設定により光源の周波数（波長）を変化させることなく
任意に変化させることが出来る。

【００１８】ところで、本実施の形態では平行ビームＢ
を測定対象１０５の移動方向に設定したが、平行ビーム
Ｃと同様にある傾きφを持っていてもよく、その場合の
感度は（ｃｏｓφ−ｃｏｓθ）で表されることになる。
さらに、反射鏡１０６は本実施の形態では傾いた平行ビ
ームＣ側に用いたが、平行ビームＢ側や双方に用いても
良く、また合分波器１０２の構成により分岐角が所望の
傾き角θに設定出来れば反射鏡１０６を省くことも可能
である。

【００１９】実施の形態２．次は、第２の実施の形態を
図について説明する。図３は、この発明の第２の実施の
形態を示す構成図である。図において、３０１は反射型
回折格子であり、実施の形態１における反射器１０４に
相当し、３０１ａは該反射型回折格子の側面図であり動
作を説明する図、３０１ｂは該反射型回折格子の正面図
である。

【００２０】次に動作について説明する。一般に、周期
構造を有する回折格子に入射したコヒーレントな光ビー
ムは、フランホーファー領域に於いて０次及び±ｎ次の
回折ビームに分離され、この時の回折波の分離角は、波
長λと回折格子のピッチΛで一意に決定される。このた
め、反射型回折格子３０１に入射角θでその入射面が回
折格子に対して垂直であるように入射した波長λのビー
ムに対し、適切なピッチΛの回折格子を設定することで
±ｎ次の回折ビームの何れか一つが入射ビームと同一の
方向に発生するようにすることが可能である。依って、
実施の形態１における反射器１０４に本実施の形態の反
射型回折格子３０１を適用すれば、平面の構成の反射器
により斜めに配置した反射鏡と同等の作用を持つ感度可
変の干渉測長系を構成することが出来る。

【００２１】ここで、本構成のように反射ビームが入射
ビームに一致する場合の反射ビームの振る舞いを１次回
折波の場合を例に説明する。図２と同様に本構成により
発生する光路差を考えると、Δ＝２Ｌ（１−１／ｃｏｓ
θ）となるが、回折格子上を光ビームが移動するとその
移動に伴って反射ビ波が入射ビームに一致する条件は、
Λ＝λ／２ｓｉｎθであるから、前述の位相変化量Ｐ
は、 Ｐ＝２π／λ・２Ｌｓｉｎ２θ／ｃｏｓθ となり、光路に換算すれば２Ｌｓｉｎ２θ／ｃｏｓθで
あるから、実質上の光路差は、 Δ＝２Ｌ（１−１／ｃｏｓθ＋ｓｉｎ２θ／ｃｏｓθ）
＝２Ｌ（１−ｃｏｓθ） となって実施の形態１において図２の様に斜めに反射鏡
を配置した場合に等しくなる。

【００２２】本構成のようにした場合、平面で反射器を
構成することが可能であるので、実施の形態１における
二つの反射器１０３及び１０４を一つの基板上に構成す
ることができ、２個の相異なるピッチの回折格子又は一
方のビームが単純なミラー面に入射しもう一方のビーム
に対して回折格子に入射するようにすることが出来る。
また、２個の反射器を同一の回折格子で構成し、２本の
光束に対して異なる次数の回折波を用いてもよい。

【００２３】実施の形態３．次は、第３の実施の形態を
図について説明する。図４は、この発明の第３の実施の
形態を示す構成図である。図において、４０１はコヒー
レントな平行ビームを発生する光源、４０２は分波器、
４０３及び４０６は第１及び第２の折曲げミラー、４０
４及び４０５はコーナーキューブプリズム、４０７は合
波器、４０８は光検出器、４０９は固定光学系、４１０
は測定対象に装着される移動光学系である。また、図５
は、コーナーキューブプリズムに斜めにビームが入射し
た場合の光路を示す説明図であり、５０１は第１の反射
鏡、５０２は第２の反射鏡、５０３は基準面、５０４は
基準面５０３の第１の反射鏡５０１による虚像、５０５
は虚像５０４の第２の反射鏡５０２による虚像である。
なお、コーナーキューブプリズムは、一般に知られてい
るように直角に交差する３平面に依って構成される３次
元形状を持つが、図示の都合上２次元として描いた。ま
た、図に垂直方向の再帰反射性を必要としないのであれ
ば図と同じ２枚の反射鏡の組合せで構成しても同じ効果
が得られる。

【００２４】次に動作について説明する。光源４０１を
出射した平行ビームは分波器により分岐された後、直接
あるいは第１の折曲げミラー４０３を介して反射器であ
るコーナーキューブプリズム４０４及び４０５に入射す
る。前記分岐された平行ビームの一方、本実施の形態で
はコーナーキューブプリズム４０４側のビームは測定対
象である移動光学系４１０の移動軸より所定角θだけ傾
けて設置されており、もう一方のコーナーキューブプリ
ズム４０５側のビームは前記移動軸と平行に設置され
る。コーナーキューブプリズム４０４に入射したビーム
はコーナーキューブプリズムの性質から、コーナーキュ
ーブプリズムの中心に対して対称な位置より入射と同一
の方向に出射して第２の折曲げミラー４０６を経て合波
器４０７によりコーナーキューブプリズム４０５側の反
射ビームと合成され、その干渉強度が光検出器４０８に
より出力される。但し、この光学系では傾いたビームに
対しては、図４に破線で示したように移動光学系の位置
に応じて反射ビームの光軸が平行移動する。よって、平
行ビームの断面方向の巾は、この光軸の平行移動量を吸
収して総ての測定範囲で干渉が得られるように設定する
必要が有る。

【００２５】本実施の形態の系における光路差は、図５
より求められる。コーナーキューブプリズムに斜めに傾
いて入射するビームに対し垂直な平面を基準面５０３と
すると、第１の反射鏡５０１による虚像は５０４にな
る。またさらに第２の反射鏡５０２による５０４の虚像
は５０５となり、基準面５０３に平行な面となる。従っ
て、コーナーキューブプリズム内を通過する光線は入射
ビームを延長した直線に変換して考えることが出来、基
準面５０３に入射してコーナーキューブで反射され、再
び基準面５０３に至る光路長は入射位置に関らず一定と
なる。第２の折り曲げミラー４０６への入射位置も全光
路長には影響を与えないので、コーナーキューブプリズ
ム４０４に至る光路長は固定光学系の射出点より基準面
５０３への距離となり実施の形態１及び２と同様に固定
光学系と移動光学系の距離をＬとしてＬｃｏｓθであ
り、光路差は２Ｌ（１−ｃｏｓθ）で表される。このた
め、検出感度は（１−ｃｏｓθ）倍に変化せしめられ、
θの設定により自在に感度を変えることが可能である。

【００２６】実施の形態４．次は、第４の実施の形態を
図について説明する。図６は、この発明の第４の実施の
形態を示す構成図である。図において、６０１はコヒー
レントな平行ビームを発生する光源、６０２は分波器、
６０３及び６０６は第１及び第２の折曲げミラー、６０
４は偏角を１８０°より所定角２θずらせるようにした
コーナーキューブ様プリズム、６０５はコーナーキュー
ブプリズム、６０７は合波器、６０８は光検出器、６０
９は固定光学系、６１０は測定対象に装着される移動光
学系である。また、図７は、コーナーキューブ様プリズ
ム６０４に斜めにビームが入射した場合の光路を示す説
明図であり、７０１は第１の反射鏡、７０２は第２の反
射鏡、７０３は第１の基準面、７０４は第１の基準面７
０３の第２の反射鏡７０２による虚像、７０５は虚像７
０４の第１の反射鏡７０１による虚像、７０６は第２の
基準面である。

【００２７】次に動作について説明する。光源６０１を
出射した平行ビームは分波器により分岐された後、直接
あるいは第１の折曲げミラー６０３を介して反射器であ
るコーナーキューブ様プリズム６０４及びコーナーキュ
ーブプリズム６０５に入射する。前記コーナーキューブ
様プリズム６０４に向かう平行ビームは測定対象である
移動光学系６１０の移動軸より所定角θだけ傾けて設置
されており、もう一方のコーナーキューブプリズム６０
５側のビームは前記移動軸と平行に設置される。前記コ
ーナーキューブ様プリズム６０４はその２枚の反射鏡の
傾きをコーナーキューブプリズムに対しθ／２だけ傾け
て構成されており、入射ビームはプリズム内で一度移動
軸に直交する方向に反射せしめられた後入射と逆方向
に、且つ移動軸に対して逆方向に角度θ傾いて出射す
る。この場合には出射ビームの光軸は前記コーナーキュ
ーブ様プリズム６０４が移動軸方向に平行移動しても変
化することがなく安定した反射ビームが得られる。この
反射ビームは、前記コーナーキューブプリズム６０５側
の反射ビームと合波器６０７によって同一光軸に合成さ
れ、その干渉出力が光検出器６０８により出力される。

【００２８】本実施の形態の系における光路差は、図７
より求められる。コーナーキューブ様プリズム６０４に
斜めに傾いて入射するビームに対し垂直な平面を第１の
基準面７０３とすると、第１の反射鏡７０１による虚像
は７０４に、またさらに第２の反射鏡７０２による虚像
は７０５となる。この時の虚像７０５の傾きは出射側の
第２の基準面７０６に平行であり、また、コーナーキュ
ーブプリズム内を通過する光線は入射ビームを延長した
直線に変換して考えることができ、第１の基準面７０３
に入射して第２の基準面７０６に至る光路長は入射位置
に関らず一定となる。よってコーナーキューブプリズム
６０４に至る光路長は固定光学系の射出点より基準面７
０３への距離となり前述の実施の形態と同様に固定光学
系と移動光学系の距離をＬとしてＬｃｏｓθであり、光
路差は２Ｌ（１−ｃｏｓθ）で表される。このため、検
出感度は（１−ｃｏｓθ）倍に変化せしめられ、θの設
定により自在に感度を変えることが可能である。

【００２９】実施の形態５．次は、第５の実施の形態を
図について説明する。図８は、この発明の第５の実施の
形態を示す構成図である。図において、８０１はコヒー
レントな平行ビームを発生する光源、８０２は前記平行
ビームを第１及び第２の２方向に分波し、かつ第１及び
第２の方向より入射した平行ビームを１方向に合波する
合分波器であり、ここでは偏向ビームスプリッタであ
る。８０３及び８０４は入射した前記平行ビームを光軸
を変えることなく反射する第１及び第２の反射器、８０
５は前記第１及び第２の反射器８０３及び８０４を装着
し１方向に自在に移動する位置測定対象、８０６は前記
合分波器８０２により分波された第２の方向の平行ビー
ムを前記第２の反射器８０４に所定角度θで入射せしめ
るように折り曲げる反射鏡、８０７は前記合分波器１０
２により合波せしめられた平行ビームの強度を検出する
光検出器、８０８は該コヒーレントな平行ビームから波
長の僅かに異なる少なくも２個の平行ビームを作り出す
周波数変調器、８０９及び８１０はその光学軸を紙面対
し４５°傾けて設置された１／４波長板、８１１は検光
子、８１２は基準周波数発生器、８１３は位相検出器で
ある。

【００３０】次に動作について説明する。前記光源８０
１より出射したビームは周波数変調器８０８により紙面
に垂直な偏光方向のビームの周波数がｆである第１の平
行ビームと紙面に平行な偏光方向のビームの周波数がｆ
＋Δｆである第２の平行ビームに変換される。この時の
周波数差Δｆは基準周波数発生器８１２により与えられ
る。次に偏光ビームスプリッタ８０２により２本のビー
ムに分離され、一方の周波数ｆの第１の平行ビームが該
偏光ビームスプリッタ８０２により反射されて、１／４
波長板８０９を通過して位置測定対象８０５の移動軸に
平行に第１の反射器８０３に向かう。また、偏光ビーム
スプリッタ８０２を透過した第２の平行ビームは１／４
波長板８１０を通過して位置測定対象８０５の移動軸に
対して角度θだけ傾けて第２の反射器８０４に向かう。
反射器により反射された第１及び第２の平行ビームは反
射器の特性から同一の光路を戻り再び偏光ビームスプリ
ッタ８０２に入射するが、１／４波長板８０９及び８１
０をそれぞれ２回通過しているので偏光方向が９０°回
転し、偏光ビームスプリッタ８０２で第１の平行ビーム
は透過し第２の平行ビームは反射して同一の光軸に合波
されて、検光子８１１を通過した後、光検出器８０７に
より光強度が出力される。周波数ｆのビームとｆ＋Δｆ
のビームとは互いに直交しているので、このままでは干
渉出力が得られない。そこで検光子８１１は互いに偏光
方向が直交したビームから干渉出力を取り出すためのも
のであり２つのビームの直交する偏光軸から検光方向を
傾けて設置されている。また、本実施の形態では、干渉
に僅かに周波数の異なる２光波を用いた一般に光ヘテロ
ダインと呼ばれる方式を用いているので光検出器８０７
に現れる出力は周波数Δｆのビート信号であり、位置測
定対象８０５の移動に伴う光波の位相差の変化がビート
信号の位相の変化に対応するといった特性があり、位相
検出器８１３で基準周波数発生器８１２からの基準周波
と比較してビート信号の位相変化を検出する。

【００３１】実施の形態６．次は、第６の実施の形態を
図について説明する。図９は、この発明の第６の実施の
形態を示す構成図である。本実施の形態における構成
は、図８と同一であり、図９では第５の実施の形態にお
ける第２の平行ビームが図８に比べ僅かに傾いた状態を
示している。また、図１０は光軸が傾いた時の検出感度
の変化を示す図であり、１００１はビーム出射及び検出
器面、１００２は折曲げミラーであり９０６に対応し、
１００３は反射器であり９０４に対応し、１００４は折
曲げミラー１００２によるビーム出射及び検出器面１０
０１の虚像である。さらに、図１１は微小な検出感度の
変化によるバーニア式検出を説明する図である。

【００３２】次に動作について説明する。図８と同様の
構成において第２の平行ビームの光軸を僅かに傾けると
図９の様になる。ビームを僅かに傾ける手法としては、
周波数変調器９０８が例えば音響光学変調器で構成され
ていれば、第二のビームの変調周波数をｆ＋Δｆからｆ
＋Δｆ’に変化させることにより僅かに偏向することが
可能である。また、ミラー等の回転を用いた機械式偏向
であっても電気光学式の偏向であっても構わない。ビー
ムを偏向した場合、反射器９０４迄の距離に応じて光検
出器９０７に入射するビーム位置が移動していくことに
なるが、偏向角が十分小さければ光検出器９０７内にビ
ームを納めることが可能であり、第１の平行ビームとの
干渉出力を得ることが出来る。この時の検出の感度を図
１０を用いて説明する。実際にはビーム出射面と検出器
面は別であり図８又は図９では合分波器である偏向ビー
ムスプリッタ８０２または９０２で分離されているが、
簡単のため図１０では反射面による虚像を重ね合わせて
同一の面１００１とした。出射面１００１をでたビーム
は折曲げミラー１００２により反射器１００３に向か
い、該反射器からの反射光が再び検出器面１００１に入
射する。図８の様に微小に偏向しない場合の移動軸との
傾き角、つまり反射器１００３への入射角がθであるビ
ームを１点鎖線で、図９の様に微小角度δ偏向した場合
のビームを実線で示している。図に示した様に折曲げミ
ラー１００２による虚像を考えると系が直線になり関係
が明らかとなる。偏向の無い場合の出射及び検出器面１
００１から反射器１００３迄の光路をＬとすると、微小
偏向を受けたビームの光路は幾何的な考察より容易にＬ
ｃｏｓθ／ｃｏｓ（θ−δ）であることを導くことが出
来る。

【００３３】ここで、移動軸との傾き角θにより全測長
範囲Ｌ₀ に対してｎ周期の干渉信号が得られるとし、δ
だけ偏向することにより検出感度を変化させ全測長範囲
にｎ−１の干渉信号が得られるようにした場合の出力が
図１１であり、上段が偏向のない場合、中段が微小に偏
向させた場合、下段が両者の位相差を示している。上段
に対し中段は全測長距離Ｌ₀ に対して１周期少なくなっ
ており、下段は全測長範囲Ｌ₀ で２πの位相変化を示す
ため該信号により絶対値の位置が特定出来る。

【００３４】実施の形態７．次は、第７の実施の形態を
図について説明する。図１２は、この発明の第７の実施
の形態を示す構成図である。図において、１２０１は演
算回路、１２０２ａ、ｂ、及びｃはそれぞれ第１、第２
及び第ｎ段の内挿回路、１２０３ａ、ｂ、及びｃはそれ
ぞれ第１、第２及び第ｎ段の光検出器、１２０４ａ、
ｂ、及びｃはそれぞれ第１、第２及び第ｎ段の干渉光学
系、１２０５ａ、ｂ、及びｃはそれぞれ第１、第２及び
第ｎ段の反射器、１２０６は位置測定対象、１２０７は
信号処理部である。

【００３５】次に動作について説明する。図１２におけ
る光検出器１２０３、干渉光学系１２０４、反射器１２
０５の構成は、図１又は図８の構成を持つものであり、
ａ、ｂ、及びｃでは反射器に斜めに入射するビームの傾
きを設定することにより検出感度を互いに異なる様に構
成されている。ａの光学系では位置測定対象１２０６の
全移動範囲において１周期以下の干渉信号が得られる様
に設定されており、第１の内挿回路によって１周期内の
干渉位置がその内挿精度内で特定される。ｂの光学系は
ａにおける内挿精度を越えない周期で干渉出力を出力す
る様に設定されており、以下の段の光学系は各々上位の
光学系による内挿精度を越えない周期で干渉信号が得ら
れる様に設定され第ｎ段まで設けられている。各々の内
挿回路１２０２で得られる干渉位置信号は演算回路１２
０１に送られ位置測定対象の位置を出力する。この時、
第２段の光学系は第１段の内挿精度を越えないような周
期で干渉信号を発生する様に構成されているので、第１
段の信号を参照することにより干渉周期の絶対位置を一
意に特定出来る。さらに下段の光学系は上段の内挿精度
を越えないような周期で干渉信号を発生する様に構成さ
れているので、上段の信号を順次参照していくことで干
渉周期の絶対位置を一意に特定することができる。例え
ば、１段での内挿精度が干渉周期をｍ分割できるものと
すれば、ｎ段では最大ｍのｎ乗分割の絶対位置が得られ
ることになる。

【００３６】実施の形態８．次は、第８の実施の形態を
図について説明する。図１３は、この発明の第８の実施
の形態を示す構成図である。図において、１３０１はコ
ヒーレントな平行光を発生する光源、１３０２は分波
器、１３０３は前記光源１３０１よりの光波にδｆの周
波数シフトを与えかつ外部よりの制御により微小角の偏
向を行う光変調器、１３０４は光源光学系、１３０５ａ
及びｂは第１及び第２の干渉光学系、１３０６ａ及びｂ
は第１及び第２の反射器、１３０７は位置測定対象、１
３０８は前記δｆに等しい周波数を発生する基準周波数
発生器、１３０９ａ及びｂは第１及び第２の周波数ｆの
ビームに対する光路切替え素子、１３１０ａ及びｂは第
１及び第２の周波数ｆ＋δｆのビームに対する光路切替
え素子、１３１１ａ及びｂは第１及び第２の合波器、１
３１２ａ及びｂは第１及び第２の光検出器、１３１３ａ
及びｂは第１及び第２の位相検出器、１３１４は演算回
路である。

【００３７】次に動作について説明する。光源１３０１
より発したコヒーレントな平行ビームは分波器により分
岐された後光変調器１３０３に入射する。光変調器が例
えば音響光学素子であれば、該音響光学素子をδｆで駆
動すれば出射した回折光はδｆの周波数変調を受けてお
り、また駆動周波数δｆを変化させれば回折角が変化し
て微小な偏向を与えることが出来る。ただし、光源光学
系１３０４の機能としては出射ビームとして周波数ｆと
僅かに周波数の異なるｆ＋δｆの２個のビームが発生し
一方が僅かに偏向出来れば良く、本実施の形態の構成以
外に例えばゼーマンレーザ等の２周波レーザを用い一方
の周波数のビーム側に機械式又は電気光学式の偏向器を
取付けても構成出来る。光源光学系１３０４を出射した
周波数ｆの第１の平行ビームは第１の周波数ｆのビーム
に対する光路切替え素子１３０９ａにより２方向に分岐
され、一方が位置測定対象１３０７の移動方向に平行な
光路で第１の反射器１３０６ａに向かい、第１の周波数
ｆのビームに対する光路切替え素子１３０９ａにより分
岐されたもう一方の平行ビームは第２の周波数ｆのビー
ムに対する光路切替え素子１３０９ｂにより位置測定対
象１３０７の移動方向に平行な光路で第２の反射器１３
０６ｂに向かう。第１及び第２の反射器１３０６ａ及び
ｂで反射した平行ビームは、それぞれ入射と同一の光路
を戻り、第１及び第２の周波数ｆのビームに対する光路
切替え素子によりそれぞれ第１及び第２の合波器１３１
１ａ及びｂに入射する。一方、周波数ｆ＋δｆの第１の
平行ビームは第１の周波数ｆ＋δｆのビームに対する光
路切替え素子１３１０ａにより２方向に分岐され一方の
ビームは位置測定対象１３０７の移動方向に対して所定
角度傾いた光路で第１の反射器１３０６ａに向かい、第
１の周波数ｆ＋δｆのビームに対する光路切替え素子１
３１０ａにより分岐されたもう一方の平行ビームは第２
の周波数ｆ＋δｆのビームに対する光路切替え素子１３
１０ｂにより位置測定対象１３０７の移動方向に干渉光
学系１３０５ａとは異なる所定角度で傾いた光路で第２
の反射器１３０６ｂに向かう。第１及び第２の反射器１
３０６ａ及びｂで反射した平行ビームは、それぞれ入射
と同一の光路を戻り、第１及び第２の周波数ｆ＋δｆの
ビームに対する光路切替え素子によりそれぞれ第１及び
第２の合波器１３１１ａ及びｂに入射し、周波数ｆの第
１の平行ビームと合成されて光検出器１３１２ａ及びｂ
により干渉信号が出力される。干渉信号は周波数δｆの
ヘテロダインビート信号であり、基準周波数発生器との
位相差を第１及び第２の位相検出器１３１３ａ及びｂに
より比較、検出され、その出力が演算回路１３１４に送
られる。

【００３８】干渉光学系１３０５ｂでは干渉光学系１３
０５ａに比べ第２の平行ビームの傾き角が小さく、位置
測定対象１３０７の移動範囲においてｎ周期の位相変化
が現れる様に設定されており、この位相を検出後、第２
のビームが微小角度偏向して前記移動範囲においてｎ−
１周期の位相変化が現れる様に感度を変化させ、実施の
形態６の手法によりバーニア検出を行って全移動範囲に
おける絶対値を検出する。この時の位置の分解点数は、
位相の内挿精度をｍとして、ｎ×ｍであり、干渉光学系
１３０５ａの感度を、干渉光学系１３０５ｂの分解能で
１周期の位相変化が現れる様に設定すれば、第１及び第
２の干渉光学系の出力を参照することにより、干渉光学
系１３０５ａの位相内挿精度をｌとしてｎ×ｍ×ｌの分
解能が得られる。当然の事ながら、干渉光学系の数を増
やしてさらに感度の高い検出出力を得る様にすれば任意
の分解能の絶対値測長器を得ることが可能である。

【００３９】

【発明の効果】この発明の第１の構成による測長装置
は、コヒーレントで互いに角度の異なる２本以上の平行
光束を発する光源と、位置を測定する対象物に固定さ
れ、上記２本以上の光束をそれぞれの入射方向と同一方
向に反射する反射器と、上記２本以上の光束を互いに平
行な光軸上に合成する合波器と、上記合成された２本以
上の光束の干渉強度を測定する光検出器とを備えたの
で、波長より長い任意の感度で対象物の位置や移動距離
が測定できる。

【００４０】この発明の第２の構成による測長装置は、
第１の構成において、上記光源は、同一の光源からの光
束を２本以上の互いに異なる角度の光束に分波する分波
光学系を備えたので、波長より長い任意の感度で対象物
の位置や移動距離が測定できる。

【００４１】この発明の第３の構成による測長装置は、
第１の構成において、上記反射器の少なくとも１つは回
折格子であり、入射光を同一方向に反射する回折波を発
生する格子ピッチを備えたので、波長より長い任意の感
度で対象物の位置や移動距離が測定できる。

【００４２】この発明の第４の構成による測長装置は、
第１の構成において、前記反射器が１８０°の偏角を有
するプリズムまたは組合わせミラーを備えたので、波長
より長い任意の感度で対象物の位置や移動距離が測定で
きる。

【００４３】この発明の第５の構成による測長装置は、
コヒーレントで互いに角度の異なる２本以上の平行光束
を発する光源と、位置を測定する対象物に固定され、上
記２本以上の光束の１つを入射方向と同一方向に反射す
る反射器と、他の光束の１つを前記光束に対して入射時
と逆の傾きをもった角度に反射する反射器と、上記２つ
の光束を互いに平行な光軸上に合成する合波器と、上記
合成された２つ以上の光束の干渉強度を測定する光検出
器とを備えたので、波長より長い任意の感度で対象物の
位置や移動距離が測定できる。

【００４４】この発明の第６の構成による測長装置は、
コヒーレントで周波数が異なり、互いに角度の異なる２
本以上の平行光束を発行する光源と、位置を測定する対
象物に固定され、上記２本以上の光束をそれぞれの入射
方向と同一の方向に反射する反射器と、上記２本以上の
光束を互いに平行な光軸上に合成する合波器と、上記合
成された２本以上の光束の干渉によって生じる上記周波
数の差に等しいビート信号を検出する光検出器と、上記
ビート信号の位相変化を測定する位相検出器とを備えた
ヘテロダイン方式としたので、波長より長い任意の感度
で対象物の位置や移動距離が測定できる。

【００４５】この発明の第７の構成による測長装置は、
第６の構成において、上記２本以上の平行光束の少なく
とも１つに偏向手段を備え、偏向前後における前記ビー
ト信号の位相の差を求めることにより、前記ビート信号
の繰返し周期より長い距離にわたって対象物の位置の絶
対測定が可能である。

【００４６】この発明の第８の構成による測長装置は、
前記異なる角度の角度差の異なる第１の構成の測長装置
を複数組備え、１組の測長装置の干渉周期に対応する距
離を、他の１組の測長装置の干渉周期の内挿分解能距離
より長く構成したので、対象物の位置の絶対測定が可能
である。

【００４７】この発明の第９の構成による測長装置は、
前記異なる角度の角度差の異なる第５の構成の測長装置
を複数組備え、１組の測長装置のビート信号の繰返し周
期に対応する距離を、他の１組の測長装置のビート信号
の繰返し周期の内挿分解能距離より長く構成し、上記複
数組の測長装置の少なくとも１組の測長装置には平行光
束の１つに偏向手段を備えたので、対象物の位置の絶対
測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施の形態の構成を示す図
である。

【図２】 この発明の第１の実施の形態の作用を説明す
る図である。

【図３】 この発明の第２の実施の形態の構成と作用を
示す図である。

【図４】 この発明の第３の実施の形態の構成を示す図
である。

【図５】 この発明の第３の実施の形態の作用を説明す
る図である。

【図６】 この発明の第４の実施の形態の構成を示す図
である。

【図７】 この発明の第４の実施の形態の作用を説明す
る図である。

【図８】 この発明の第５の実施の形態の構成を示す図
である。

【図９】 この発明の第６の実施の形態の構成を示す図
である。

【図１０】 この発明の第６の実施の形態の作用を説明
する図である。

【図１１】 この発明の第６の実施の形態の作用を説明
する図である。

【図１２】 この発明の第７の実施の形態の構成を示す
図である。

【図１３】 この発明の第８の実施の形態の構成を示す
図である。

【図１４】 従来の測長装置例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０１ 光源、１０２ 合分波器、１０３，１０４ 反
射器、１０５ 対象物、１０６ 反射鏡、３０１ａ，３
０１ｂ 回折格子、４０４，４０５，６０４，６０５
コーナーキューブプリズム、８０２ 偏光ビームスプリ
ッタ、８０８周波数変調器、８１１ 検光子、８１２
基準周波数発生器、８１３ 位相検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高嶋 和夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 佐久間 浩和 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 水谷 孝夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 青木 幸男 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コヒーレントで互いに角度の異なる２本
   以上の平行光束を発する光源と、位置を測定する対象物
   に固定され、上記２本以上の光束をそれぞれの入射方向
   と同一方向に反射する反射器と、上記２本以上の光束を
   互いに平行な光軸上に合成する合波器と、上記合成され
   た２本以上の光束の干渉強度を測定する光検出器とを備
   えた測長装置。
2. 【請求項２】 上記光源は、同一の光源からの光束を２
   本以上の互いに異なる角度の光束に分波する分波光学系
   を備えたものである請求項１記載の測長装置。
3. 【請求項３】 上記反射器の少なくとも１つは回折格子
   であり、入射光を同一方向に反射する回折波を発生する
   格子ピッチを備えたものである請求項１記載の測長装
   置。
4. 【請求項４】 前記反射器が１８０°の偏角を有するプ
   リズムまたは組合わせミラーを備えたものである請求項
   １記載の測長装置。
5. 【請求項５】 コヒーレントで互いに角度の異なる２本
   以上の平行光束を発する光源と、位置を測定する対象物
   に固定され、上記２本以上の光束の１つを入射方向と同
   一方向に反射する反射器と、他の光束の１つを前記光束
   に対して入射時と逆の傾きをもった角度に反射する反射
   器と、上記２つの光束を互いに平行な光軸上に合成する
   合波器と、上記合成された２つ以上の光束の干渉強度を
   測定する光検出器とを備えた測長装置。
6. 【請求項６】 コヒーレントで周波数が異なり、互いに
   角度の異なる２本以上の平行光束を発行する光源と、位
   置を測定する対象物に固定され、上記２本以上の光束を
   それぞれの入射方向と同一の方向に反射する反射器と、
   上記２本以上の光束を互いに平行な光軸上に合成する合
   波器と、上記合成された２本以上の光束の干渉によって
   生じる上記周波数の差に等しいビート信号を検出する光
   検出器と、上記ビート信号の位相変化を測定する位相検
   出器とを備えたヘテロダイン方式の測長装置。
7. 【請求項７】 上記２本以上の平行光束の少なくとも１
   つに偏向手段を備え、偏向前後における前記ビート信号
   の位相の差を求めることにより、前記ビート信号の繰返
   し周期より長い距離にわたって位置の絶対測定を行う請
   求項６記載の測長装置。
8. 【請求項８】 前記異なる角度の角度差の異なる請求項
   １記載の測長装置を複数組備え、１組の測長装置の干渉
   周期に対応する距離を、他の１組の測長装置の干渉周期
   の内挿分解能距離より長く構成した測長装置。
9. 【請求項９】 前記異なる角度の角度差の異なる請求項
   ５記載の測長装置を複数組備え、１組の測長装置のビー
   ト信号の繰返し周期に対応する距離を、他の１組の測長
   装置のビート信号の繰返し周期の内挿分解能距離より長
   く構成し、上記複数組の測長装置の少なくとも１組の測
   長装置には平行光束の１つに偏向手段を備えたものであ
   る測長装置。