JPH0198903A

JPH0198903A - レーザ測長方法

Info

Publication number: JPH0198903A
Application number: JP62256273A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Kitamura; 北村　耕一郎
Original assignee: Kitamura Machinery Co Ltd
Current assignee: Kitamura Machinery Co Ltd
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1989-04-17
Also published as: JPH0543962B2

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】一業上の１この発明は、レーザ光による測長方法、特に、レーザ光
の干渉を利用するマイケルソン型干渉計の原理を応用す
るレーザ測長方法に関する。

１迷４１１組マイケルソン型干渉計を応用したレーザ測長システムが
広く行われている。光源から出たレーザ光がビームスプ
リッタにより２分割され、一方の光は移動鏡、他方の光
は固定鏡へ導かれる。両方の鏡で反射した光は、ビーム
スプリッタ上で重なり、干渉を起す。この干渉を利用し
て、光の波長λを基準に移動鏡の移動距離を測定するこ
とができる。

、口が、′シようとする円　１、従来の測長システムでは、第１図に示すように、移動鏡
４は、光軸（光の進行方向）と平行に矢印Ａの方向に移
動する。第１図では、周波数ｆ１の光が移動鏡４に垂直
に入射している。移動鏡４の移動距離は光の波長λを基
準として算出できる。

さて、移動距離を算出するためのデータ処理において、
例えば）−１８−Ｎｅレーザ光の場合には、波長λがＯ
ｏ・６３２８μｍであるため、数値演算における桁数が
著しく大きくなってしまう。このため、例えば、高速フ
ィードパツク制御による位置決めを行う場合には高級な
計算処理系を設置しなければ対応できない。従って、コ
スト高になりがちである。

友泗Ｊとｌカーこのような問題点を解消するために、本発明は、低級（
低コスト）な計算処理系を用いた場合でも、高速フィー
ドバック制御による位置決め等を的確に行うことができ
るレーザ測長方法を提供することを目的としている。

免」列ＬＬ前）ホの目的を達成するために、この発明は特許請求の
範囲第１項に記載のレーザ測長方法を要旨としている。

４　、を解゛するための− 本発明によるレーザ測長方法においては、レーザ光の進
行方向である光軸と、移動鏡の移動方向である移動軸と
のなす角を予め適当な値に設定する。この場合に、以後
の計算処理において、移動鏡のみかけの移動距ｍ＜光軸
方向）を実際の移動距離（移動鏡の移動軸方向）に換算
することが必要である。具体的には、光軸方向の移動距
離を、光軸と移動軸のなす角の余弦関数で除算しなけれ
ばならない。この除算において、レーザ光の波長λを予
め考慮することにより、数値演算の桁数を小さくするこ
とが可能である。

このように、本発明によるレーザ測長方法では、光軸と
移動鏡の移動軸とのなす角を予め適当な有限値に設定す
ることがポイントであり、この処置によって以後の計算
処理の有効桁数を小さく押えて処理を簡略化する。

丸糺九以下、図面を参照して本発明によるレーザ測長方法を説
明する。

第２図は本発明によるレーザ測長方法の概念を示すブロ
ック図である。２周波レーザ光源１０から発生した２周
波レーザ光の進行方向にビームスプリッタ１１が設けで
ある。ビームスプリッタ１１によって分割され直角に進
路をかえた光の進行方向には、周波数差を検出するレシ
ーバ１７が配置しである。レシーバ１７の次段にはカウ
ンタ２３が設けてあり、カウンタ２３は減算器１９へ連
絡している。

ビームスプリッタ１１で分割され直進する光の進行方向
には、別のビームスプリッタ１２が設置されている。こ
のビームスプリッタ１２で分割され直角に進路をかえた
光の進行方向には周波数がｆｌの光成分をカットする光
学フィルタ１５が設けである。光学フィルタ１５を通過
した周波数がｆ２の光の進行方向には固定鏡が固定しで
ある。

ビームスプリッタ１２で分割され直進する光の進行方向
には、周波数がｆ２の光成分を−〇　　　　− カットする光学フィルタ１６が設けである。

光学フィルタ１６を通過した周波数ｆｌの光の進行方向
には移動鏡１４が設置しである。

この移動鏡１４は、矢印Ｂの方向に移動する。

第３図に示すように、移動鏡１４の反射面は光軸と垂直
であり、移動鏡１４は恒にこの関係を満たしながら矢印
Ｂの方向に移動する。

移動軸は光軸に対して角度りだけ傾いているが、角度り
の決め方については後で説明する。

なお、移動鏡１４は所望の移動距離全域で光を受けるこ
とができるような十分な大きさを有している。

２周波レーザ光源１０から移動鏡へ向う光軸に対して、
光学フィルタ１５及び固定鏡１３の反対側には、レシー
バ１８が設置しである。レシーバ１°８はカウンタ２３
に接続してあり、さらに減算器１９に連絡している。

減算器１９は乗算器２０に接続してあり、乗算器２０は
位置表示器２１とフィードバック機構２２に接続しであ
る。

次に第２図、第３図を参照して、第２図に示した本発明
の実施例の動作を説明する。

２周波レーザ光源１０からｆｌとｆ２の２つの周波数成
分からなるレーザ光が発生し、ビームスプリッタ１１で
２方向に分岐される。

２方向に進む光のうち、ビームスプリッタ１１で直角に
進路を曲げられた光は、レシーバ１７へ向い、このレシ
ーバ上で干渉する。周波数差ｆｌ−ｆ２に相当する信号
がレシーバ１７からカウンタ２３へ送られる。

ビームスプリッタ１１を通り直進した光は、ビームスプ
リッ′り１２で２方向に分岐される。

ビームスプリッタ１２で直角に進路を曲げられた光は、
光学フィルタ１５を通って周波数成分がｆ２のみの光と
なる。この光は、固定鏡１３で反射されレシーバ１８に
向う。

ビームスプリッタ１２で直進した光は、光学フィルタ１
６を通過して周波数成分子１のみの光となり、移動鏡１
４で反射される。ここで、移動鏡が矢印日の方向に移動
することによりドップラ・シフトを生じ、反射光の周波
数はｆ１±△ｆとなり、ビームスプリッタ１２の方向に
戻っていく。この反射光はビームスプリッタ１２で直角
に曲げられ、固定鏡から反射された周波数ｆ２の光と重
なってレシーバ１８に向い、レシーバ１８上で干渉する
。

周波数差ｆ、−ｆ２±Δｆに相当する信号がレシーバ１
８からカウンタ３３に送られる９カウンタ２３とカウン
タ３３からの信号は減算器１９に送られてその結果Δｆ
に相当する信号が出力され、次段の乗算器２０に送られ
る。

第３図は移動鏡１４と入射光（周波数−ｆ１）の関係を
示している。鏡面と光軸は垂直である。移動鏡１４の移
動軸と光軸は角度Ｘをなしている。移動鏡１４は矢印Ｂ
の方向に移動して１４′の位置に動いたとすると、移動
鏡の光軸方向の移動距離はＬ２、正味の移動距離はＬｌ
である。Ｌｌは次の（式１）のように計算することがで
きる。

（式１）％式％＠ｅ−Ｎｅレーザ光の場合にはλ＝０．６３２８μｍで
あルノテ、例えば、Ｄ＝３７゜７２１°と設定すること
によりＬｌは（式２）のように簡略化される。

（式２）％式％従って乗算器２０では△ｆ　Ｘｏ、４の演算を行えばよ
い。またＤ＝５０．７４３°と設定することによりＬ＋
　はΔｆＸＯ０５と演算できる。

比較のために、従来例での数値演算を見てみよう。従来
例のように光軸と移動軸が平行である場合には、（式３
）のように移動距離Ｌ２が求められる。

（式３）％式％）（式３）と上述した△ｆＸＯ，４あるいは八ｆＸ０．５
を比較することにより、本発明によるレーザ測長方法に
よって数値演算の桁数を著しく小さくできることがわか
る。

以上のように乗算器２０で算出された移動距離は、位置
表示器２１に送られ位置情報として表示される。また移
動距離はフィードバツク機構２２にも入力され、周知の
フィードバーツク制ｔｌｌ（高速フィードバック制ｔＩ
Ｉ）が行われる。

次に第４図を参照して、本発明の他の実施例について説
明する。

第４図は、本発明によるレーザ測長方法をＸ−Ｙテーブ
ルへ適用した場合の主要部のみを示す構成図である。ベ
ツド４７の上に、Ｘ方向に移動可能なサドル４６が位置
し、さらにその上にワークステージとなるＸ−Ｙテーブ
ル４５が設置しである。ｘ−Ｙテーブル４５には、Ｘ方
向移動鏡４３とＹ方向移動１１４４がＸ軸・Ｙ軸に対し
て任意の角度をもって設置できるように設けである。な
お、Ｘ、　Ｙ軸方向移動鏡４３．４４はＸ−Ｙテーブル
４５の所望の移動範囲でレーザ光を受光できる十分な大
きさを持っている。

測長システムの構成は、前述した第２図の−１２一実施例と類似であり、また、Ｘ、Ｙ方向共に同じなので
、ここではＸ方向のみについてその動作を中心に簡単に
説明する。

測長システムはレーザヘッド４０．干渉計４８、キュー
ブコーナ４１、Ｘ方向移動鏡４３、レシーバ４２で構成
されている。キューブコーナ４１は干渉計４８と一体構
造になっており、第２図で示した実施例においては、固
定鏡１３に相当する。また、干渉計４８内のビームスプ
リッタは、第２図での光学フィルタ１４．１５の役割を
する。レーザヘッド４０から発生した光は、干渉計４８
内の偏光ビームスプリッタで周波数成分が分離され、一
方の周波数成分は干渉計４８に固定されたキューブコー
ナ４１へ向う。他方の周波数成分はＸ方向移動鏡へ向か
い、ここで反射され干渉計４８に戻る。これら２つの周
波数のビームはレシーバ４２へ向かい、レシーバ上で干
渉する。

Ｘ−Ｙテーブル４５がＸ方向に移動すると、レシーバ４
２で検出される周波数差にドップラ・シフトを生じ、こ
の周波数差が測定信号となる。この信号が次段の処理系
（図示していない）に送られ移動距離が前述の（式２）
を用いて算出される。さらに、この移動距離をもとに周
知の高速フィードバック制御を行ってＸ−Ｙテーブルの
位置ぎめをする。（図示していない）Ｘ方向移動鏡４３は、鏡面がＹ軸と平行で、かつＸ軸と
角度りをなすように設置されている。角度りのきめ方の
例は前述した通りである。レーザヘッド４０、干渉計４
８、キューブコーナ４１はＸ方向移動鏡４３へ向うビー
ムが鏡面に垂直に入射するように設定されている。入射
光と移動鏡及びその移動方向の関係は第３図に示したも
のと同じである。第３図で矢印ＢはここでＸ軸方向に相
当する。

この例では、本発明のレーザ測長方法、ワークステージ
としてのテーブルに適用したが、同様にして、Ｚ軸方向
に動（スピンドル軸に適用することもできる。このよう
に、本発明のレーザ測長方法は前述した実施例に限定さ
れず、様々な工作機械においての位置測定や、フィード
バック制御による位置きめ等に適用することが可能であ
る。

１１匹１１この発明によるレーザ測長方法においては、光軸と移動
鏡の移動軸とのなす角を予め適当な有限値に設定するこ
とにより、移動距離を算出するための数値演算の有効桁
数を小さくすることができる。このため、比較的低級な
計算機を用いても移動距離を短時間で効率よく計算でき
るので、高速フィードバック制御等を行うのに非常に有
利である。従って、本発明によれば、高速フィードバッ
ク制御等に適用可能なレーザ測長システムを低コストで
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術における光軸と移動鏡の関係を示す図
、第２図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、
第３図は本発明の光軸と移動鏡の関係を示す図、第４図
は本発明の他の実施例の主要部のみを示した図である。４．４′・・・移動鏡１０・・・２周波レーザ光源１１．１２・・・ビームスプリッタ１３・・・固定鏡１４．１４’・・・移動鏡１５．１６・・・光学フィルタ１７．１８．４２・・・レシーバ１つ・・・減算器２０・・・乗算器２１・・・位置表示器２２・・・フィードバック機構２３．３３・・・カウンタ４０・・・レーザヘッド４１・・・キューブコーナ４３・・・Ｘ方向移動鏡４４・・・Ｙ方向移動鏡４５・・・Ｘ−Ｙテーブル４６・・・サドル４７・・・ベツド４８・・・干渉計第１図第３図

Claims

【特許請求の範囲】１、マイケルソン型干渉計の原理を応用するレーザ測長方法において、レーザ光の波長をλ、
移動鏡が移動距離Ｌだけ動いてドップラ・シフトが生じ
ることにより変化した周波数差又は周波数差に相当する
信号をΔｆとした時に、移動鏡に入射するレーザ光の光
軸と移動鏡の移動軸とのなす角Ｄを、移動距離Ｌを算出
するための数値演算△ｆ×（１／２）×λ／ｃｏｓＤの
有効桁数を小さくするように、予め適当な有限値に設定
することを特徴とするレーザ測長方法。２、レーザ光として波長λが０．６３２８μｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を用い、移動鏡に入射す
るレーザ光の光軸と移動鏡の移動軸とのなす角Ｄを３７
．７２１°又は５０．７４３°とし、移動鏡の移動距離
Ｌを０．４×△ｆμｍ又は０．５×Δｆμｍと算出する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のレーザ
測長方法。３、移動鏡を工作機械のワークステージに設置することを特徴とする特許請求の範囲第１項又
は第２項に記載のレーザ測長方法。