JPH07120213A - 追尾式レーザ干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】回転体の回動中心がブレても測定誤差が生じな
いようにし、これにより移動体を追尾しながらその移動
体の変位や位置を高精度に測定可能にする。 【構成】Ｘ軸とＹ軸とが交差する位置に逆反射体１０６
を固定配設し、この逆反射体１０６を中心にＸ軸及びＹ
軸の回りにそれぞれ回動自在な回転部１０８を設ける。
この回転部１０８に設けられた光学系は、レーザ光源か
ら回転部に導かれたレーザビームを分割し、一方のレー
ザビームを前記Ｘ軸と直交する光路を経由して逆反射体
１０６に入射させるとともに、他方のレーザビームを前
記光路の延長上に出射し、移動体に配設される逆反射体
１１０に入射させる。そして、逆反射体１０６、１１０
からの反射光の干渉に基づいて逆反射体１１０の変位量
を検出するようにしてる。上記変位量の検出に際し、回
転体１０８の回動中心がブレても、逆反射体１０６に入
射するレーザビームと、逆反射体１１０に入射するレー
ザビームとは同一直線上にあるため光路差が変化せず、
測定誤差として現れることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は追尾式レーザ干渉計に係
り、特に移動体を追尾しながらその移動体の変位や位置
を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動体にレーザビームを向けるた
めの追尾式レーザ干渉計として、図５に示すのもがある
（U.S.P.No.4,790,651) 。同図に示すように、この追尾
式レーザ干渉計は、最終段の反射ミラー１０がＸ軸及び
Ｙ軸の回りにそれぞれ回動できるように構成され、これ
により移動体に設けられている逆反射体（図示せず）に
レーザビームを照射できるようになっている。即ち、反
射ミラー１０を支持する回転体１４は、回転体１６に対
して軸受け１２、１２を介してＸ軸の回りに回動自在に
支持され、回転体１６は固定台１８に対して軸受け２
０、２０を介してＹ軸の回りに回動自在に支持れてい
る。

【０００３】そして、図示しないレーザ光源から発振さ
れたレーザビームは、固定台１８に固定された偏光ビー
ムスプリッタ２２によって分割され、分割された一方の
レーザビームはコーナー・キューブ２４に入射し、その
反射光は参照光として偏光ビームスプリッタ２２を介し
て検出部２６に入射する。一方、分割された他方のレー
ザビームは、プリズム２８によってＹ軸と同軸上に折り
曲げられ、その後、回転体１６に支持されたプリズム３
０、３２を介してＸ軸と同軸上に折り曲げられ、最終段
の反射ミラー１０に入射される。

【０００４】従って、反射ミラー１０から出射されるレ
ーザビームは、回転体１６がＹ軸の回りに回動すると旋
回し、回転体１４がＸ軸の回りに回動すると上下方向に
移動するため、回転体１４及び１６の回動をそれぞれ制
御することにより移動体に設けらている逆反射体に向け
てレーザビームを出射することができる。移動体に設け
らている逆反射体からの反射光は、測定光として前記反
射ミラー１０、プリズム３２、３０、２８及び偏光ビー
ムスプリッタ２２を介して検出部２６に入射する。

【０００５】検出部２６では、コーナー・キューブ２４
によって反射された参照光と、移動体に設けらている逆
反射体によって反射された測定光との干渉に基づいて移
動体の移動を測定する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の追尾式レーザ干渉計は、軸受け１２、２０の精度等
が測定精度に影響し、高精度の測定ができないという問
題がある。即ち、移動体を追尾する場合には、回転体１
４は軸受け１２、１２を介して回動制御され、回転体１
６は軸受け２０、２０を介して回動制御されるが、これ
らの回転体１４、１６の回動中心のブレが測定光の光路
長の変化として現れる。また、回転体１４、１６等の熱
膨張によっても測定光の光路長が変化し、測定精度に影
響する。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、回転体の回動中心がブレても測定誤差が生じな
いように構成し、これにより移動体を追尾しながらその
移動体の変位や位置を高精度に測定することができる追
尾式レーザ干渉計を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、固定位置に配設された第１の逆反射体と、
移動体に配設された第２の逆反射体と、前記第１の逆反
射体を中心に直交するＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞれ回
動自在な回転部と、レーザ光源から発振されたレーザビ
ームを前記回転部の回動にかかわらず該回転部に導く手
段と、前記回転部に固定配設された複数の光学部品から
なる光学系であって、前記回転部に導かれたレーザビー
ムを分割し、分割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸と
直交する光路を経由して前記第１の逆反射体に入射させ
るとともに、他方のレーザビームを前記光路の延長上に
出射して前記第２の逆反射体に入射させ、前記第１及び
第２の逆反射体からの反射光をそれぞれ得る光学系と、
前記光学系を介して得られる２つの反射光の干渉に基づ
いて前記第２の逆反射体の移動量を検出する検出部と、
前記回転部に固定配設され、前記第２の逆反射体からの
反射光の一部が入射され、前記第２の逆反射体に入射す
るレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位
置検出手段と、前記位置検出手段からの位置信号に基づ
いて前記ずれ量がゼロになるように前記回転部のＸ軸及
びＹ軸回りの回動位置を制御する制御手段と、を備えた
ことを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明によれば、Ｘ軸とＹ軸とが交差する位置
に第１の逆反射体を固定配設し、この第１の逆反射体を
中心にＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞれ回動自在な回転部
を設ける。この回転部には、複数の光学部品からなる光
学系が固定されており、この光学系は、レーザ光源から
回転部に導かれたレーザビームを分割し、分割した一方
のレーザビームを前記Ｘ軸と直交する光路を経由して前
記第１の逆反射体に入射させるとともに、他方のレーザ
ビームを前記光路の延長上に出射し、移動体に配設され
る第２の逆反射体に入射させる。そして、前記第１及び
第２の逆反射体からの反射光の干渉に基づいて第２の逆
反射体の移動量を検出するようにしている。上記移動量
の検出に際し、回転部と第１の逆反射体との間に相対的
な位置ずれが生じた場合でも、第１の逆反射体に入射す
るレーザビームと、第２の逆反射体に入射するレーザビ
ームとは同一直線上にあるため、参照光と測定光の光路
長は共に増加又は減少し、その結果、測定誤差として現
れなることがない。

【００１０】また、回転部には、第２の逆反射体からの
反射光の一部が入射する位置検出手段が設けられてお
り、この位置検出手段は第２の逆反射体に入射するレー
ザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する。従っ
て、この位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ず
れ量がゼロになるように回転部のＸ軸及びＹ軸回りの回
動位置を制御することにより、常時移動体にレーザビー
ムを照射するように追尾することができる。

【００１１】

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係る追尾式レ
ーザ干渉計の好ましい実施例を詳述する。図１は本発明
に係る追尾式レーザ干渉計の一実施例を示す斜視図であ
る。同図に示すように、この追尾式レーザ干渉計は、主
として固定台１００に配設された光源部１０２、検光部
１０４及びキャッツアイ１０６と、回転部１０８と、空
間を移動する移動体（図示せず）に配設されるキャッツ
アイ１１０と、４分割のフォトダイオード１１２、モー
タＭ_{X ,} Ｍ_Y 及び制御装置１１４からなる追尾制御部と
から構成されている。

【００１２】上記回転部１０８は、支持枠１２０との間
に設けられた軸受け１２２、１２４を介してＸ軸の回り
に回動自在に支持され、支持枠１２０は、固定台１００
との間に設けられた軸受け１２６を介してＹ軸の回りに
回動自在に支持されている。従って、回転部１０８は固
定台１００に対してＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞれ回動
自在に支持される。

【００１３】制御装置１１４は、４分割のフォトダイオ
ード１１２からの出力信号（この信号の詳細については
後述する）に基づいて、レーザビームが測定光用のキャ
ッツアイ１１０に入射するように回転部１０８を回動さ
せるモータＭ_X 及び支持枠１２０を回動させるモータＭ
_Y を駆動制御する。光源部１０２と検光部１０４とはユ
ニット化されており、光源部１０２は図示しないレーザ
光源から光ファイバ１２３を介してレーザビームが加え
られており、このレーザビームを平行光にして出射す
る。検光部１０４は後述する干渉光を光電変換したの
ち、信号ケーブル１２５を介して図示しない信号処理部
に出力する。

【００１４】さて、光源部１０２から出射されたレーザ
ビームは４５度傾いた偏光面を持つ直線偏光であり、こ
れは同一位相の垂直偏光成分と水平偏光成分に分けて考
えることができる。この２つの直線偏光はプリズム１３
０を介して無偏光ビームスプリッタ１３２に入射する。
無偏光ビームスプリッタ１３２で分割されたレーザビー
ムは、１／４波長板１３４を通過することにより右回り
の円偏光と左回りの円偏光に変換され、この２つの円偏
光のレーザビームはプリズム１３６、支持枠１２０の中
空軸１３８、支持枠１２０に固定されたプリズム１４
０、１４２、１４４を介してＸ軸と同軸上の回転部１０
８の中空軸１４６に入射される。この中空軸１４６の入
射端には１／４波長板１４８が設けられており、前記２
つの円偏光のレーザビームはこの１／４波長板１４８を
通過することにより再び進行方向に垂直な面内で互いに
直角方向に振動する２つの直線偏光に変換される。

【００１５】２つの直線偏光に変換されたレーザビーム
は、回転部１０８の中空軸１４６を介して回転部１０８
の同一平面上に設けられた光学系に入射される。即ち、
レーザビームはＸ軸上に設けられたプリズム１５０によ
ってＸ軸と直交する方向に折り曲げられ、その後、プリ
ズム１５２を介して偏光ビームスプリッタ１５４に入射
される。２つの直線偏光のレーザビームは、偏光ビーム
スプリッタ１５４によって進行方向に垂直な面内で互い
に直角方向に振動する２つの直線偏光に分割され、偏光
ビームスプリッタ１５４によって反射される一方の直線
偏光は、レンズ群１５６によって細いビームにされたの
ちキャッツアイ１０６に入射する。

【００１６】キャッツアイ１０６は、例えば屈折率２の
真球で、その半球面に反射鏡が形成されて成り、所定の
入射範囲で入射するレーザビームを入射方向と同方向に
反射することができる。尚、レンズ群１５６によってレ
ーザビームを収束させるようにすれば、キャッツアイ１
０６の屈折率を２よりも小さくすることができる。上記
キャッツアイ１０６によって反射した反射光は、参照光
としてその入射光路と逆方向に戻される。

【００１７】一方、偏光ビームスプリッタ１５４を透過
する他方の直線偏光は、プリズム１５８、１６０、１６
２、及び１／４波長板１６４を介して移動体に配設され
るキャッツアイ１１０に出射され、キャッツアイ１１０
によって反射した反射光は、測定光としてその入射光路
と逆方向に戻される。１／４波長板１６４は追尾制御用
の反射光を取り出すためのもので、直線偏光のレーザビ
ームの偏光面を僅かに回転する。その結果、キャッツア
イ１１０からの反射光は、その一部が偏光ビームスプリ
ッタ１５４によって反射され、干渉フィルタ１６６を介
して４分割のフォトダイオード１１２に投影される。
尚、レーザビームがキャッツアイ１１０の球心に向かっ
て入射している場合には、その反射光はフォトダイオー
ド１１２の受光面の中心に入射するようになっている。

【００１８】ここで、移動体の移動に伴ってレーザビー
ムがキャッツアイ１１０の球心からずれてキャッツアイ
１１０に入射すると、その反射光はそのずれ方向及びず
れ量に応じてフォトダイオード１１２の受光面の中心か
らずれて入射することになる。４分割のフォトダイオー
ド１１２は、その受光面が上下左右に４分割されてお
り、各分割面に入射するレーザビームの光量に応じた４
つの電気信号を制御装置１１４に出力する。制御装置１
１４は、入力する４つの電気信号のうち、上下の分割面
に対応する電気信号のレベルが一致するようにモータＭ
_X を駆動するとともに、左右の分割面に対応する電気信
号のレベルが一致するようにモータＭ_Y を駆動する。こ
れにより回転部１０８は、Ｘ軸及びＹ軸の回りに回動制
御され、その結果、レーザビームは常時キャッツアイ１
１０に入射するようにその出射方向が制御される。

【００１９】さて、偏光ビームスプリッタ１５４を介し
て重ね合わされた参照光と測定光は、プリズム１５２、
１５０、１／４波長板１４８、プリズム１４４、１４
２、１４０１３６、及び１／４波長板１３４を介して無
偏光ビームスプリッタ１３２に入射し、無偏光ビームス
プリッタ１３４を透過する参照光と測定光は、検光部１
０４に入射する。

【００２０】検光部１０４では、互いに直角方向に振動
する２つの直線偏光である上記参照光と測定光を適切な
手段で干渉させることにより干渉縞を発生させ、その干
渉縞を光電変換して信号ケーブル１２５を介して図示し
ない信号処理部に出力する。信号処理部では、周知のよ
うに干渉縞を示す電気信号に基づいて干渉縞の数及び位
相を求めることにより、移動体の変位を検出する。尚、
移動体の空間内の位置を測定するためには、冗長性を持
たせるための追尾式レーザ干渉計を含む少なくとも４台
の追尾式レーザ干渉計を設け、各追尾式レーザ干渉計に
よって測定される移動体の変位から移動体の空間内の位
置を測定することができる。

【００２１】次に、上記追尾式レーザ干渉計による測定
精度について説明する。図２は図１の回転部１０８の内
部構成を示す要部平面図である。同図に示すように、偏
光ビームスプリッタ１５４によって反射されるレーザビ
ームは、Ｘ軸と直交する光路を経由してキャッツアイ１
０６の球心に向かって入射する。一方、偏光ビームスプ
リッタ１５４を透過するレーザビームは、プリズム１５
８、１６０、１６２、及び１／４波長板１６４を介して
移動体に配設されるキャッツアイ１１０に入射するが、
このとき１／４波長板１６４からキャッツアイ１１０に
出射されるレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１５
４からキャッツアイ１０６に出射されるレーザビームの
光路の延長上に出射される。

【００２２】さて、測定精度上問題となる光路は、偏光
ビームスプリッタ１５４によって分離される位置から各
キャッツアイ１０６、１１０までの距離の差である。し
かしながら、上記構成の追尾式レーザ干渉計によれば、
回転部１０８は固定配置されているキャッツアイ１０６
を中心にしてＸ軸及びＹ軸（図２上では、キャッツアイ
１０６の中心を通る紙面に直交する軸）の回りに回動す
るため、この回動時にキャッツアイ１０６の中心と、Ｘ
軸とＹ軸の交点とが一致しなくなる場合でも、上記偏光
ビームスプリッタ１５４によって分離される位置から各
キャッツアイ１０６、１１０までの距離の差は変化しな
い。即ち、上記構成の追尾式レーザ干渉計によれば、回
転部１０８の回動中心にブレが生じてもそのブレが測定
精度に影響せず、高精度な測定ができる。

【００２３】図３は回転部の内部構成の他の実施例を示
す要部平面図である。尚、図２と共通する部分には同一
の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図３に示す
回転部１７０において、偏光ビームスプリッタ１５４を
透過する一方のレーザビームは、プリズム１７２を介し
てキャッツアイ１０６に入射され、偏光ビームスプリッ
タ１５４によって反射する他方のレーザビームは、プリ
ズム１７４、１７６及び１／４波長板１６４を介してキ
ャッツアイ１１０に向けて出射される。

【００２４】この構成の回転部１７０における各光学部
品の配置によれば、上記回転部１０８と同様な効果が得
られるとともに、回転部１７０が熱膨張しても、偏光ビ
ームスプリッタ１５４によって分離される位置から各キ
ャッツアイ１０６、１１０までの距離の差の変化は小さ
く、またデッドパスエラーがない。図４は本発明に係る
追尾式レーザ干渉計の他の実施例を示す要部平面図であ
る。同図に示すように、この追尾式レーザ干渉計は、回
転部１７８を挟んで光源部１８０と検光部１８２とが反
対側に配設されており、光源部１８０から１／４波長板
１８１、１８４、プリズム１８６、１８８及び１９０を
介して偏光ビームスプリッタ１９２に入射するまでのレ
ーザビームの光路と、偏光ビームスプリッタ１９２から
プリズム１９４、１９６、及び１／４波長板１９８、１
８３を介して検光部１８２に入射するまでの光路とが異
なっている。

【００２５】偏光ビームスプリッタ１９２に入射する２
つの直線偏光のレーザビームは、偏光ビームスプリッタ
１９２によって進行方向に垂直な面内で互いに直角方向
に振動する２つの直線偏光に分割され、偏光ビームスプ
リッタ１９２によって反射される一方の直線偏光は、プ
リズム２００及び１／４波長板２０２を介してキャッツ
アイ１０６に入射し、その反射光は１／４波長板２０２
及びプリズム２００を介して偏光ビームスプリッタ１９
２に入射し、偏光ビームスプリッタ１９２を透過する。

【００２６】一方、偏光ビームスプリッタ１９２を透過
する他方の直線偏光は、ビームサンプラ２０４、プリズ
ム２０６、２０８、及び１／４波長板２１０を介して移
動体に配設されるキャッツアイ１１０に出射され、その
反射光は１／４波長板２１０、プリズム２０８、２０
６、及びビームサンプラ２０４を介して偏光ビームスプ
リッタ１９２に入射し、偏光ビームスプリッタ１９２で
反射される。ビームサンプラ２０４によって反射される
キャッツアイ１１０からの反射光は、４分割のフォトダ
イオード２１２に入射される。この構成の光学部品の配
置によれば、図３に示した回転部１７０による構成と同
様な精度が得られる。

【００２７】尚、本実施例では、逆反射体としてキャッ
ツアイを使用するようにしたが、これに限らず、例え
ば、コーナー・キューブ、直角三面鏡、表面が鏡面とな
っている球体等を使用するようにしてもよい。また、回
転部はジンバル機構によってＸ軸及びＹ軸の回りに回動
自在になっているが、これに限らず、例えばＬ字ブラケ
ットをモータによって回動させるとともに、Ｌ字ブラケ
ットに固定したモータに回転部を固定して回転部を回動
させるようにしてもよい。更に、回転部へのレーザビー
ムの導入は、上記Ｘ軸及びＹ軸に沿って行う場合に限ら
ず、光ファイバを用いるようにしてもよい。但し、この
場合には、光ファイバが回転部の回動の邪魔にならない
ようにする必要がある。

【００２８】また、フリンジカウント方式の干渉計を使
用するようにしたが、これに限らず、例えばヘテロダイ
ン方式の干渉計を使用するようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る追尾式
レーザ干渉計によれば、回転体の回動中心がブレても、
ビームスプリッタから参照用の逆反射体までの距離と、
測定用の逆反射体までの距離との差が変化しないように
構成したため、移動体を追尾しながらその移動体の変位
や位置を高精度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る追尾式レーザ干渉計の一実
施例を示す斜視図である。

【図２】図２は図１の回転部の内部構成を示す要部平面
図である。

【図３】図３は回転部の内部構成の他の実施例を示す要
部平面図である。

【図４】図４は本発明に係る追尾式レーザ干渉計の他の
実施例を示す要部平面図である。

【図５】図５は従来の追尾式レーザ干渉計の一例を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１００…固定台 １０２、１８０…光源部 １０４、１８２…検光部 １０６、１１０…キャッツアイ １０８、１７０、１７８…回転部 １１２、２１２…４分割フォトダイオード １１４…制御装置 １２０…支持枠 １２２、１２４、１２６…軸受け １２３…光ファイバ １２５…信号ケーブル Ｍ_{X ,} Ｍ_Y …モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 充夫 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院 計量研究所内 (72)発明者 中村 収 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院 計量研究所内 (72)発明者 谷村 吉久 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院 計量研究所内 (72)発明者 中俣 透 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株式 会社東京精密内 (72)発明者 黒沢 俊郎 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株式 会社東京精密内 (72)発明者 高井 望 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株式 会社東京精密内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定位置に配設された第１の逆反射体
   と、 移動体に配設された第２の逆反射体と、 前記第１の逆反射体を中心に直交するＸ軸及びＹ軸の回
   りにそれぞれ回動自在な回転部と、 レーザ光源から発振されたレーザビームを前記回転部の
   回動にかかわらず該回転部に導く手段と、 前記回転部に固定配設された複数の光学部品からなる光
   学系であって、前記回転部に導かれたレーザビームを分
   割し、分割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸と直交す
   る光路を経由して前記第１の逆反射体に入射させるとと
   もに、他方のレーザビームを前記光路の延長上に出射し
   て前記第２の逆反射体に入射させ、前記第１及び第２の
   逆反射体からの反射光をそれぞれ得る光学系と、 前記光学系を介して得られる２つの反射光の干渉に基づ
   いて前記第２の逆反射体の移動量を検出する検出部と、 前記回転部に固定配設され、前記第２の逆反射体からの
   反射光の一部が入射され、前記第２の逆反射体に入射す
   るレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位
   置検出手段と、 前記位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量
   がゼロになるように前記回転部のＸ軸及びＹ軸回りの回
   動位置を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とする追尾式レーザ干渉計。