(57)【要約】【課題】  ゴーストのない高精度な光干渉観測を可能にする。【解決手段】  第１及び第２の偏波保存コリメータ１１１，１１２の各入射端側又は出射端側の一方に第１及び第２の偏光子１０３，１０４を設け、第１の光源１１０から第１の偏波保存光ファイバ１０１を介して出射される測定光Ｓ１と第２の光源１２０から第２の偏波保存光ファイバ１０２を介して出射される基準光Ｓ２を、干渉計を構成するプリズムユニット１３０に上記偏波保存コリメータ１１１，１１２及び偏光子１０３，１０４を介して入射させ、上記プリズムユニット１３０を介して測定光Ｓ１が照射される測定面及び基準光Ｓ２が照射される基準面による各反射光を上記プリズムユニット１３０により重ね合わせることに得られる干渉光を第１及び第２の光検出器１６０，１７０により検出して得られる干渉信号を信号処理部１８０に供給する。【選択図】  図１
2015072136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光を出射する第１及び第２の光源と、
上記第１の光源から出射された測定光と上記第２の光源から出射された基準光がそれぞれ偏波保存光ファイバを介して入射される第１及び第２の偏波保存コリメータと、
上記第１及び第２の偏波保存コリメータの各入射端側又は出射端側の一方に設けられた第１及び第２の偏光子と、
上記測定光と基準光が上記第１及び第２の偏波保存コリメータと第１及び第２の偏光子を介して入射されるプリズムユニットと、
上記第１の光源から出射された測定光が上記プリズムユニットを介して照射される測定面と、
上記第２の光源から出射された基準光が上記プリズムユニットを介して照射される基準面と、
上記第１の光源から出射された測定光と上記第２の光源から出射された基準光が上記プリズムユニットを介して重ね合わされて入射され、上記測定光と基準光との干渉光を検出する第１の光検出器と、
上記測定面に照射された測定光の上記測定面による反射光と上記基準面に照射された基準光の上記基準面による反射光が上記プリズムユニットを介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記基準光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出器と、
上記第１の光検出器により検出された干渉信号と上記第２の光検出器により検出された干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求める信号処理部と
を備える光学式計測装置。
【請求項２】
上記プリズムユニットは、光路に対して４５°をなす全反射面とビームスプリッタ膜が形成され互いに平行な二つの面と、光路に対して直角をなし互いに平行又は直角をなす二つの面とを有する第１の四角柱プリズムと、上記第１の四角柱プリズムの上記ビームスプリッタ膜が形成された面に、上記ビームスプリッタ膜を挟んで斜面が貼り合わされた第１の直角プリズムと、一方の斜面にビームスプリッタ膜が形成され、ビームスプリッタ膜を挟んで斜面が貼り合わされた第２の直角プリズムと第３の直角プリズムと、光路に対して４５°をなす全反射面とビームスプリッタ膜が形成され互いに平行な二つの面と、光路に対して直角をなし互いに平行又は直角をなす二つの面とを有する第２の四角柱プリズムと、上記第１の四角柱プリズムの上記ビームスプリッタ膜が形成された面に、上記ビームスプリッタ膜を挟んで斜面が貼り合わされた第４の直角プリズムとを備え、上記第１の四角柱プリズムの光路に対して直角をなす二つの面の一方の面及び上記第１の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面が、上記各ビームスプリッタ膜が互いに平行となるように、上記第１の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされるとともに、上記第２の四角柱プリズムの光路に対して直角をなす二つの面の一方の面及び上記第４の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面が、上記各ビームスプリッタ膜が互いに直角となるように、上記第２の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされてなり、
上記測定光と基準光が上記第１及び第２の偏波保存コリメータと第１及び第２の偏光子を介して入射される上記プリズムユニットにより、上記第１の光源から出射された測定光を上記第１の四角柱プリズムに形成されている上記ビームスプリッタ膜により２つに分岐させて、上記第２の直角プリズムと第３の直角プリズムの斜面で挟まれたビームスプリッタ膜を介して出射して上記測定面及び基準面に照射し、上記第２の光源から出射された基準光を上記第２の四角柱プリズムに形成されている上記ビームスプリッタ膜により２つに分岐させて、上記測定面と基準面により反射された各反射光と、上記第２の直角プリズムと第３の直角プリズムの斜面で挟まれたビームスプリッタ膜において重ね合わせて出射して上記第１の光検出器と第２の光検出器に入射させる光路を形成したことを特徴とする請求項１記載の光学式計測装置。
【請求項３】
上記第１及び第２の偏波保存コリメータは、各入射端側又は出射端側の一方に上記第１及び第２の偏光子が配設された筐体を一体化した２平行ビームコリメータとして筐体上に実装され、上記筐体上には、上記プリズムユニット、第１及び第２の光検出器とともに、上記基準面としてリトロリフレクタが実装されていることを特徴とする請求項２記載の光学式計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準面に照射した基準光の該基準面による反射光と測定面に照射した測定光の該測定面による反射光との干渉光を検出して、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求める距離計など、干渉計を用いた光学式計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。
【０００３】
本件発明者等は、長い距離を高い精度でしかも短時間に測定することが可能な距離計として、図７に示すような構成の距離計を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この距離計では、第１の光源１から出射された基準光Ｓ１と、第２の光源２から出射され測定光Ｓ２と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１で偏光方向を直交した状態で重ねあわされ、ビームスプリッタ（ＢＳ）１２により反射光と透過光に２分岐される。
【０００５】
そして、ビームスプリッタ（ＢＳ）１２により２分岐された反射光が偏光子１３を介して基準光検出器３に入射され、上記反射光に含まれる基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の干渉光Ｓ３を上記基準光検出器３により検出して得られる干渉信号と、透過光に含まれる基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４により分離され、基準光Ｓ１が基準面４に照射されて反射され、また、測定光Ｓ２が測定面６に照射されて反射されて、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４により重ねあわされ、ビームスプリッタ（ＢＳ）１２による反射光として偏光子１５を介して測定光検出器６に入射され、上記反射光に含まれる基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の干渉光Ｓ４を上記測定光検出器６により検出して得られる干渉信号との時間差に基づいて、信号処理部７により光速と測定波長における屈折率から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることができる。
【０００６】
また、光コムを用いた干渉計は微弱な光反射であっても高精度の絶対距離計測が可能な距離測定が可能である。
【０００７】
上記距離計の光学系では、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が同じ経路を通るため、基準面４と測定面６間の距離を測定する上で、途中の経路の変化の影響が除去できる利点ある。特に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）やビームスプリッタ（ＢＳ）を構成する以上使わないわけにはいかないガラスなどの温度で屈折率が大きく変化する媒質の影響はなくなるメリットは大きい。
【０００８】
しかしながら、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や途中の経路の偏光状態が完全ではないために、測定面６に向かう測定光Ｓ２に基準光Ｓ１が混じる問題点があった。あるいは基準面４に向かう基準光Ｓ１に測定光Ｓ２が混じる問題点があった。そのため、測定光検出器６では測定光Ｓ２が戻らなくても不要な光の干渉（ゴースト）が検出され、測定面６からの反射光が弱い時その問題点が大きくなる。これが測定誤差の要因の一つとなっていた。
【０００９】
上記距離計における迷光は、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の経路が不完全であることに起因して発生するので、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が同じ経路を通ることにより、その経路の屈折率が大きく変化するガラスなどの媒質の影響はなくなるメリットは大きい。しかし、違う経路であっても、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が同じ温度の同じ媒質を同じ距離伝搬するならば、その媒質の影響は小さくすることができる。
【００１０】
そのような光学系を構成する方法はいくつもあると考えられるが、調整機構が少なく、小型で、平面的に作ることのできる光学系を構成となると限られる。
【００１１】
光コムを用いた干渉計は微弱な光反射であっても高精度の絶対距離計測が可能な距離測定が可能である。
【００１２】
しかしながら、従来の干渉計では偏光素子の不完全性に起因するゴーストが発生してしまう問題点があった。
【００１３】
そこで、本件発明者等は、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことのできる光学式計測装置として、図８に示すような構成の距離計を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
このレーザ距離計２００は、測定光Ｓ１を出射する第１の光源２１０と、基準光Ｓ２を出射する第２の光源２２０と、上記第１の光源２１０から出射された測定光Ｓ１と上記第２の光源２２０から出射された基準光Ｓ２が偏波保存コリメータ２１１，２１２を介して入射されるプリズムユニット２３０と、上記第１の光源２１０から出射された測定光Ｓ１が上記プリズムユニット２３０を介して照射される測定面２５０及び基準面２５５と、上記第１の光源２１０から出射された測定光Ｓ１と上記第２の光源２２０から出射された基準光Ｓ２が上記プリズムユニット２３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光Ｓ１と基準光Ｓ２との干渉光を検出する第１の光検出器２６０と、上記測定面２５０に照射された測定光の上記測定面２５０による反射光と上記基準面２５５に照射された基準光の上記基準面２５５による反射光が上記プリズムユニット２３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記基準光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出器２７０と、上記第１の光検出器２６０により検出された干渉信号と上記第２の光検出器２７０により検出された干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記基準面２５５までの距離と上記測定面２５０までの距離の差を求める信号処理部２８０とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−１４５４９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、本件発明者等が先に提案している特許文献２に開示されているレーザ距離計の光干渉計では、基準光と測定光が同じ経路を通ることに起因して発生してしまうゴーストの問題を解決したものであった。しかしながら、上記光干渉計と光源との間を偏波保持光（PM:Polarization Maintaining）ファイバで接続して使用する場合、偏波保持光ファイバに起因するゴーストの問題があった。
【００１７】
偏波保持光ファイバには２つの偏光モードが存在し、上記光干渉計は、どちらかの偏光モードで使用している。しかしながら、もう一方の偏光モードに光りが混入してしまうと、偏光モード中の光の速度が異なるために、干渉信号に異なる時間差の信号が重なるという問題があった。このゴーストは、拒計計測に大きく支障をきたし、特に光ファイバが長い場合に影響が大きく問題があった。
【００１８】
また、上記特許文献２に開示されているレーザ距離計の光干渉計は、複数の光学素子で成り立っている。そして、それぞれの光学素子は、それらの位置・角度が調整されて設置される。特に、２つあるコリメータと基準面の相対的な角度には数１０秒程度の精度が要求される。したがって、光学系の組み立てには、精密に位置決めを行う道具と、精密に固定する道具が必要であった。また、光学系全体の組み立ては、部品点数が多いために、工数が多く複雑である。
【００１９】
また、光学素子は筐体に設置されるが、光学素子の相対角度の関係を維持するために、筐体は、例えば光学素子と熱膨張係数の近いコバールや、強度の優れたステンレス、セラミックスなどの材料で制作される。このような筐体は、機械的に安定するように頑丈に作られるので、大型で重い物となっていた。
【００２０】
しかし、干渉計をロボットなどに取り付け、観測点を任意に変更するシステムを構築するためには、小型軽量な筐体が必要になる。
【００２１】
そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、偏波保持光ファイバに起因するゴーストの問題を解消し、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことのできる光学式計測装置を提供することを目的とする。
【００２２】
また、本発明は、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができ、しかも、加速度や環境温度の変動などに強く、小型軽量で、組み立ても容易な光学式計測装置を提供することを目的とする。
【００２３】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明では、本件発明者等が先に提案している特許文献２に開示されているレーザ距離計の光干渉計を改良し、光源から偏波保持光ファイバを介して出射される光の光路中に偏光子を挿入することにより、偏波保持光ファイバに起因するゴーストの問題を解消する。
【００２５】
すなわち、本発明は、光学式計測装置であって、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された測定光と上記第２の光源から出射された基準光がそれぞれ偏波保存光ファイバを介して入射される第１及び第２の偏波保存コリメータと、上記第１及び第２の偏波保存コリメータの各入射端側又は出射端側の一方に設けられた第１及び第２の偏光子と、上記測定光と基準光が上記第１及び第２の偏波保存コリメータと第１及び第２の偏光子を介して入射されるプリズムユニットと、上記第１の光源から出射された測定光が上記プリズムユニットを介して照射される測定面と、上記第２の光源から出射された基準光が上記プリズムユニットを介して照射される基準面と、上記第１の光源から出射された測定光と上記第２の光源から出射された基準光が上記プリズムユニットを介して重ね合わされて入射され、上記測定光と基準光との干渉光を検出する第１の光検出器と、上記測定面に照射された測定光の上記測定面による反射光と上記基準面に照射された基準光の上記基準面による反射光が上記プリズムユニットを介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記基準光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出器と、上記第１の光検出器により検出された干渉信号と上記第２の光検出器により検出された干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求める信号処理部とを備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明に係る光学式計測装置において、上記プリズムユニットは、光路に対して４５°をなす全反射面とビームスプリッタ膜が形成され互いに平行な二つの面と、光路に対して直角をなし互いに平行又は直角をなす二つの面とを有する第１の四角柱プリズムと、上記第１の四角柱プリズムの上記ビームスプリッタ膜が形成された面に、上記ビームスプリッタ膜を挟んで斜面が貼り合わされた第１の直角プリズムと、一方の斜面にビームスプリッタ膜が形成され、ビームスプリッタ膜を挟んで斜面が貼り合わされた第２の直角プリズムと第３の直角プリズムと、光路に対して４５°をなす全反射面とビームスプリッタ膜が形成され互いに平行な二つの面と、光路に対して直角をなし互いに平行又は直角をなす二つの面とを有する第２の四角柱プリズムと、上記第１の四角柱プリズムの上記ビームスプリッタ膜が形成された面に、上記ビームスプリッタ膜を挟んで斜面が貼り合わされた第４の直角プリズムとを備え、上記第１の四角柱プリズムの光路に対して直角をなす二つの面の一方の面及び上記第１の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面が、上記各ビームスプリッタ膜が互いに平行となるように、上記第１の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされるとともに、上記第２の四角柱プリズムの光路に対して直角をなす二つの面の一方の面及び上記第４の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面が、上記各ビームスプリッタ膜が互いに直角となるように、上記第２の直角プリズムの直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされてなり、上記測定光と基準光が上記第１及び第２の偏波保存コリメータと第１及び第２の偏光子を介して入射される上記プリズムユニットにより、上記第１の光源から出射された測定光を上記第１の四角柱プリズムに形成されている上記ビームスプリッタ膜により２つに分岐させて、上記第２の直角プリズムと第３の直角プリズムの斜面で挟まれたビームスプリッタ膜を介して出射して上記測定面及び基準面に照射し、上記第２の光源から出射された基準光を上記第２の四角柱プリズムに形成されている上記ビームスプリッタ膜により２つに分岐させて、上記測定面と基準面により反射された各反射光と、上記第２の直角プリズムと第３の直角プリズムの斜面で挟まれたビームスプリッタ膜において重ね合わせて出射して上記第１の光検出器と第２の光検出器に入射させる光路を形成したものとすることができる。
【００２７】
また、本発明に係る光学式計測装置において、上記第１及び第２の偏波保存コリメータは、各入射端側又は出射端側の一方に上記第１及び第２の偏光子が配設された筐体を一体化した２平行ビームコリメータとして筐体上に実装され、上記筐体上には、上記プリズムユニット、第１及び第２の光検出器とともに、上記基準面としてリトロリフレクタが実装されているものとすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明では、光源から偏波保持光ファイバを介して出射される光の光路中に偏光子を挿入することにより、偏波保持光ファイバに起因するゴーストの問題を解消し、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことのできる光学式計測装置を提供することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、測定光と基準光が第１、２の光検出器において各干渉光として検出されるまでにプリズムユニット内で経験する光学距離の差はそれぞれ互いに等しく、上記プリズムユニットの温度が変化しても、上記第１、２の光検出器において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、上記第１及び第２の偏波保存コリメータは、各入射端側又は出射端側の一方に上記第１及び第２の偏光子が配設された筐体を一体化した２平行ビームコリメータとして実装される筐体上にプリズムユニット、第１及び第２の光検出器、上記基準面としてリトロリフレクタが実装される構造とすることによって、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができ、しかも、加速度や環境温度の変動などに強く、小型軽量で、組み立ても容易な光学式計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を適用したレーザ距離計の構成例を示すブロック図である。
【図２】偏波保持光ファイバによる干渉信号のゴーストを示す図であり、（Ａ）は偏光子を挿入した場合を示し、（Ｂ）は偏光子を用いない場合を示している。
【図３】上記レーザ距離計に備えられるプリズムユニットの構成例を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明を適用したレーザ距離計の他の構成例の要部を示す斜視図である。
【図５】上記他の構成例のレーザ距離計に備えられる２平行ビームコリメータの構造を示す図であり、（Ａ）は斜視図及び（Ｂ）は要部横断斜視図である
【図６】波長１５５０ｎｍ、ビーム径３．５ｍｍの場合を仮定して、フォトディテクタに入射される反射光の平行度に対する信号の劣化を計算した結果を示すグラフである。
【図７】本件発明者等が先に提案している距離計の構成を示すブロック図である。
【図８】本件発明者等が先に提案している距離計の他の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００３３】
本発明は、例えば図１に示すような構成のレーザ距離計１００に適用される。
【００３４】
このレーザ距離計１００は、測定光Ｓ１を出射する第１の光源１１０と、基準光Ｓ２を出射する第２の光源１２０と、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ１と上記第２の光源１２０から出射された基準光Ｓ２が入射されるプリズムユニット１３０と、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ１が上記プリズムユニット１３０を介して照射される測定面１５０と、上記第２の光源１２０から出射された基準光Ｓ２が上記プリズムユニット１３０を介して照射される基準面１５５と、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ１と上記第２の光源１２０から出射された基準光Ｓ２が上記プリズムユニット１３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光Ｓ１と基準光Ｓ２との干渉光を検出する第１の光検出器１６０と、上記測定面１５０に照射された測定光の上記測定面１５０による反射光と上記基準面１５５に照射された基準光の上記基準面１５５による反射光が上記プリズムユニット１３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記基準光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出器１７０と、上記第１の光検出器１６０により検出された干渉信号と上記第２の光検出器１７０より検出された干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準面１５５までの距離と上記測定面１５０までの距離の差を求める信号処理部１８０とを備える。
【００３５】
上記第１及び第２の光源１１０，１２０は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ１と基準光Ｓ２を出射するものであって、それぞれ周期的に強度又は位相を変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ１と基準光Ｓ２を出射するための光変調器を備える２台の光源、光周波数コムモード間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、或いは、光パルス繰り返し周波数が異なる２台のパルス光源からなる。
【００３６】
上記第１の光源１１０は、偏波保持ファイバ１０１と偏波保存コリメータ１１１を介してＳ偏光の測定光Ｓ１を出射する。また、上記第２の光源１２０は、偏波保持ファイバ１０２と偏波保存コリメータ１１２を介してＳ偏光の基準光Ｓ２を出射する。上記Ｓ偏光の測定光Ｓ１と基準光Ｓ２は、偏光子１０３，１０４と１／２波長（λ／２）板１１３，１１４を介して上記プリズムユニット１３０に入射される。
【００３７】
上記偏光子１０３，１０４は、それぞれ上記偏波保持ファイバ１０１，１０２の２つの偏光モード内の一方の軸に合わせて設置されている。これにより、上記偏波保持ファイバ１０１，１０２の偏光モード内の使用しない成分を除去することができる。
【００３８】
上記偏光子１０１，１０２には、方解石、ＢＢＯ、ルチルなどの結晶を用いた偏光子や、誘電体多層膜偏光子、ワーヤーグリッド偏光子、ビームディスプレーサ、コーニング社製のガラス偏光子であるポーラコア（登録商標）、ＨＯＹＡ（株）製のキューポ（登録商標）などを用いることができる。また、特定偏光のみ導波できる偏光ファイバを用いてもよい。
【００３９】
ここで、偏波保持ファイバによる干渉信号のゴーストの例を図２の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【００４０】
図２の（Ａ），（Ｂ）は、偏波保持光ファイバの２つの偏光モードの消光比を強制的に劣化させ、特にゴーストが出やすい状態を作り出して観測したもので、（Ａ）は偏光子を挿入した場合を示し、（Ｂ）は偏光子を用いない場合を示している。
【００４１】
図２の（Ｂ）には、図２の（Ａ）にはない信号が重畳されており、ゴーストが認められるが、偏光子を挿入をすることにより、図２の（Ａ）のように、ゴーストは殆ど認められない状態とすることができる。
【００４２】
従って、偏光子を偏波保存コリメータの入射端側或いは出射端側のどちらかに挿入することにより、偏波保持光ファイバに起因するゴーストの問題を解消し、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。
【００４３】
このレーザ距離計１００において、上記プリズムユニット１３０は、図３に示すように、第１の台形プリズム１３１、第１の直角プリズム１３２、第２の直角プリズム１３３、第３の直角プリズム１３４、第２の台形プリズム１３５、第４の直角プリズム１３６を貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムである。
【００４４】
上記プリズムユニット１３０は、図３に示すように、光路に対して直角をなし互いに直角をなす二つの面１３１ａ，１３１ｂと光路に対して４５°をなす全反射面１４１Ａとビームスプリッタ膜１４２Ａが形成され互いに平行な二つの面１３１ｃ，１３１ｄとを有する第１の台形プリズム１３１と、上記第１の台形プリズム１３１の上記ビームスプリッタ膜１４２Ａが形成された面１３１ｄに、上記ビームスプリッタ膜１４２Ａを挟んで斜面１３２ｃが貼り合わされた第１の直角プリズム１３２と、一方の斜面に偏光ビームスプリッタ膜１４３が形成され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３を挟んで斜面１３３ｃ，１３４ｃが貼り合わされた第２の直角プリズム１３３と第３の直角プリズム１３４と、光路に対して直角をなし互いに直角をなす二つの面１３５ａ，１３５ｂと光路に対して４５°をなす全反射面１４１Ｂとビームスプリッタ膜１４２Ｂが形成され互いに平行な二つの面１３５ｃ，１３５ｄとを有する第２の台形プリズム１３５と、上記第２の台形プリズム１３５の上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂが形成された面１３５ｄに、上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂを挟んで斜面１３６ｃが貼り合わされた第４の直角プリズム１３６とを備える。
【００４５】
そして、このプリズムユニット１３０は、上記第１の台形プリズム１３１の光路に対して直角をなす二つの面１３１ａ、１３１ｂの一方の面及び上記第１の直角プリズム１３２の直角をなす二つの面１３２ａ、１３２ｂの一方の面が、上記ビームスプリッタ膜１４２Ａと偏光ビームスプリッタ膜１４３が互いに直角となるように、上記第１の直角プリズム１３２の直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされるとともに、上記第２の台形プリズム１３５の光路に対して直角をなす二つの面１３２ａ、１３２ｂの一方の面及び上記第４の直角プリズム１３６の直角をなす二つの面１３６ａ、１３６ｂの一方の面が、上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂと偏光ビームスプリッタ膜１４３が互いに平行となるように、上記第２の直角プリズム１３６の直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされている。
【００４６】
上記プリズムユニット１３０は、上記第１の台形プリズム１３１、第１の直角プリズム１３２、第２の直角プリズム１３３、第３の直角プリズム１３４、第２の台形プリズム１３５、第４の直角プリズム１３６を貼り合わせて一体化することにより構成した台形プリズムであって、その台形プリズムの上部の面と底部の面に反射防止（ＡＲ）１４４，１４５膜が蒸着されている。
【００４７】
そして、このレーザ距離計１００において、上記第１の光源１１０は、偏波保存コリメータ１１１を介してＳ偏光の測定光Ｓ１を出射し、また、上記第２の光源１２０は、偏波保存コリメータ１１２を介してＳ偏光の基準光Ｓ２を出射する。上記測定光Ｓ１と基準光Ｓ２は、１／２波長（λ／２）板１１３，１１４を介して上記プリズムユニット１３０に入射される。
【００４８】
上記プリズムユニット１３０に入射された測定光Ｓ１と基準光Ｓ２は、上記第２の直角プリズム１３３の直角をなす二つの面１３３ａ，１３３ｂの一方の面１３３ａを介して上記偏光ビームスプリッタ膜１４３に入射され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３によりそれぞれ２つの測定光Ｓ１Ｓ，Ｓ１Ｐと基準光Ｓ２Ｓ，Ｓ２Ｐに分岐される。
【００４９】
上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の測定光Ｓ１Ｓは、上記第１の台形プリズム１３１の上記全反射面１４１Ａの形成された面１３１ｃにより反射されて９０°折り曲げられてビームスプリッタ膜１４２Ａに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ａにより上記一方の偏光の測定光Ｓ１Ｓが１：１の比率で２つの測定光Ｓ１１，Ｓ１２に分岐される。
【００５０】
上記ビームスプリッタ膜１４２Ａにより１：１の比率で２つに分岐された測定光Ｓ１１，Ｓ１２は、一方の測定光Ｓ１１が上記第１の直角プリズム１３２の光路に対して直角をなす面１３２ａを介して出射され、また、他方の測定光Ｓ１２が上記全反射面１４１Ａの形成された面１３１ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第１の台形プリズム１３１の光路に対して直角をなす面１３１ａを介して出射される。
【００５１】
また、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３を通過した他方の偏光の測定光Ｓ１Ｐは、上記第２の直角プリズム１３３の光路に対して直角をなす面１３３ａから出射され、１／４波長（λ／４）板１１５を介して円偏光の測定光Ｓ１Ｃにされて上記測定面１５０に照射される。
【００５２】
上記測定面１５０により垂直に反射された反射光Ｓ１Ｃ’が、上記１／４波長（λ／４）板１１５を介して上記プリズムユニット１３０の上記偏光ビームスプリッタ膜１４３に戻され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の反射光Ｓ１Ｓ’が上記第２の台形プリズム１３５の上記全反射面１４１Ｂの形成された面１３５ｃにより反射されて９０°折り曲げられてビームスプリッタ膜１４２Ｂに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ｂにより上記一方の偏光の反射光Ｓ１Ｓ’が１：１の比率で２つの反射光Ｓ１１’，Ｓ１２’に分岐される。
【００５３】
上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂにより１：１の比率で２つに分岐された反射光Ｓ１１’，Ｓ１２’は、一方の反射光Ｓ１１’が上記第４の直角プリズム１３６の光路に対して直角をなす面１３６ａを介して出射されて第２の光検出器１７０に入射され、また、他方の反射光Ｓ１２’が上記全反射面１４１Ｂの形成された面１３６ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第２の台形プリズム１３５の光路に対して直角をなす面１３５ａを介して出射されて上記第２の光検出器１７０に入射される。
【００５４】
上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の基準光Ｓ２Ｓは、上記ビームスプリッタ膜１４２Ａに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ａにより上記一方の偏光の基準光Ｓ２Ｓが１：１の比率で２つの基準光Ｓ２１，Ｓ２２に分岐される。
【００５５】
上記ビームスプリッタ膜１４２Ａにより１：１の比率で２つに分岐された基準光Ｓ２１，Ｓ２２は、一方の基準光Ｓ２１が上記第１の直角プリズム１３２の光路に対して直角をなす面１３２ａを介して出射されて上記第１の光検出器１６０に入射され、また、他方の基準光Ｓ２２が上記全反射面１４１Ａの形成された面１３１ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第１の台形プリズム１３１の光路に対して直角をなす面１３１ａを介して出射されて上記第１の光検出器１６０に入射される。
【００５６】
また、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３を通過した他方の偏光の基準光Ｓ２Ｐは、上記第２の直角プリズム１３３の光路に対して直角をなす面１３３ａから出射され、１／４波長（λ／４）板１１６を介して円偏光の測定光Ｓ２Ｃにされて上記基準面１５５に照射される。
【００５７】
上記基準面１５５により垂直に反射された反射光Ｓ２Ｃ’が、上記１／４波長（λ／４）板１１６を介して上記プリズムユニット１３０の上記偏光ビームスプリッタ膜１４３に戻され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の反射光Ｓ２Ｓ’が上記第２の台形プリズム１３５の上記全反射面１４１Ｂの形成された面１３５ｃにより反射されて９０°折り曲げられてビームスプリッタ膜１４２Ｂに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ｂにより上記一方の偏光の反射光Ｓ２Ｓ’が１：１の比率で２つの反射光Ｓ２１’，Ｓ２２’に分岐される。
【００５８】
上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂにより１：１の比率で２つに分岐された反射光Ｓ２１’，Ｓ２２’は、一方の反射光Ｓ２１’が上記第４の直角プリズム１３６の光路に対して直角をなす面１３６ａを介して出射されて第２の光検出器１７０に入射され、また、他方の反射光Ｓ２２’が上記全反射面１４１Ｂの形成された面１３６ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第２の台形プリズム１３５の光路に対して直角をなす面１３５ａを介して出射されて上記第２の光検出器１７０に入射される。
【００５９】
上記第１の光検出器１６０は、上記測定光Ｓ１と上記基準光Ｓ２との干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット１３０の第１の台形プリズム１３１に形成されているビームスプリッタ膜１４２Ａにおいて重ね合わされて２つに分岐された測定光Ｓ１１，Ｓ１２と基準光Ｓ２１，Ｓ２２との各干渉光を二個のフォトディテクタ１６１Ａ，１６１Ｂにより検出し、その差分を差動検出器１６２により検出するようになっている。
【００６０】
また、上記第２の光検出器１７０は、上記測定面１５０からの反射光Ｓ１Ｃ’と上記基準面１５５からの反射光Ｓ２Ｃ’の干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット１３０の第２の台形プリズム１３５に形成されているビームスプリッタ膜１４２Ｂにおいて重ね合わされてそれぞれ２つに分岐された反射光Ｓ１１’，Ｓ１２’と反射光Ｓ２１’，Ｓ２２’との各干渉光を二個のフォトディテクタ１７１Ａ，１７１Ｂにより検出し、その差分を差動検出器１７２により検出するようになっている。
【００６１】
上記信号処理部１８０は、上記第１の光検出器１６０により上記測定光Ｓ１と上記基準光Ｓ２との干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差と、上記第２の光検出器１７０により上記測定面１５０からの反射光Ｓ１Ｃ’と上記基準面１５５からの反射光Ｓ２Ｃ’の干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記基準面１５５までの距離と上記測定面１５０までの距離の距離差の絶対値を求める処理を行う。
【００６２】
このレーザ距離計１００では、上記プリズムユニット１３０すなわち台形プリズムの高さをｈとすると、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ１が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第１の光検出器１６０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、測定光Ｓ１１が２ｈ、測定光Ｓ１２が２．５ｈであり、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ１が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第２の光検出器１７０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、反射光Ｓ１１’が３ｈ、反射光Ｓ１２’が３．５ｈである。
【００６３】
これに対し、上記第２の光源１２０から出射された基準光Ｓ２が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第１の光検出器１６０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、基準光Ｓ２１が１．５ｈ、基準光Ｓ２２が２ｈであり、上記第２の光源１１０から出射された基準光Ｓ２が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第２の光検出器１７０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、反射光Ｓ２１’が２ｈ、反射光Ｓ２２’が２．５ｈである。
【００６４】
すなわち、このレーザ距離計１００では、上記第１、２の光検出器１６０，１７０において干渉光を検出するまでに、上記プリズムユニット１３０内で測定光Ｓ１と基準光Ｓ２が経験する光学距離の差はそれぞれ１ｈで互いに等しい。
【００６５】
したがって、このレーザ距離計１００では、上記プリズムユニット１３０の温度が変化しても、上記第１、２の光検出器１６０，１７０において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。
【００６６】
このレーザ距離計１００では、上記基準面１５５までの距離と上記測定面１５０までの距離の距離差の絶対値を出力するので、上記測定面１５０と上記基準面１５５を近くに設置することにより、大気の屈折率変化の影響をさらに小さくして測定精度を上げることができる。
【００６７】
なお、このレーザ距離計１００において、上記第２の直角プリズム１３３及び第３の直角プリズム１３４の各斜面１３３ｃ、１３４ｃに挟まれた上記偏光ビームスプリッタ膜１４３は、ビームスプリッタ膜に置き換えることができる。この場合、光損失は増えるが上記１／４波長（λ／４）板１１５，１１６は不要になる。
【００６８】
ここで、上記レーザ距離計１００では、偏波保存コリメータ１１１，１０４の出射端側に偏光子１０３，１０４を設けて、上記Ｓ偏光の測定光Ｓ１と基準光Ｓ２が上記偏光子１０３，１０４と１／２波長（λ／２）板１１３，１１４を介して上記プリズムユニット１３０に入射されるようにしたが、図４に示すレーザ距離計１００Ａのように、上記偏光子１０３，１０４は、上記偏波保存コリメータ１１１，１１２の入射端側に設けるようにしてよい。
【００６９】
このレーザ距離計１００Ａは、偏波保存コリメータ１１１，１１２、１／２波長（λ／２）板、１１３，１１４、１／４波長（λ／４）板１１５，１１６、プリズムユニット１３０、基準面１５５Ａ、フォトディテクタ１６１Ａ，１６１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ等が基板１９５上に実装された干渉計からなる。
【００７０】
このレーザ距離計１００Ａにおいて、上記レーザ距離計１００と同じ構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００７１】
このレーザ距離計１００Ａでは、筐体１９１を一体化した２平行ビームコリメータ１９０として偏波保存コリメータ１１１，１１２が上記基板１９５上に実装されている。
【００７２】
すなわち、２平行ビームコリメータ１９０は、図５の（Ａ）斜視図及び（Ｂ）要部横断斜視図に示すように、２つの偏波保存コリメータ１１１，１１２を一体化した筐体１９１に、上記２つの偏波保存コリメータ１１１，１１２に接続される偏波保持ファイバ１０１，１０２の位置のアオリ・フォーカス調整部１９２とＸＹ位置決め部１９３が設けられている。
【００７３】
この２平行ビームコリメータ１９０では、同一のミラーを基準にして、上記アオリ・フォーカス調整部１９２とＸＹ位置決め部１９３により、上記２つの偏波保存コリメータ１１１，１１２の出射する２本のコリメート光を互いに平行に調整し固定することができ、２本のコリメート光の平行度を容易に数秒レベルにすることができる。
【００７４】
また、この２平行ビームコリメータ１９０は、偏光子１０３，１０４を内蔵しており、上記２つの偏波保存コリメータ１１１，１１２の入射側に偏光子１０３，１０４が配設されている。この２平行ビームコリメータ１９０は、偏光子１０３，１０４を内蔵することにより、接続される偏波保持ファイバ１０１，１０２に起因するゴーストの問題を解消し、ゴーストのない高精度な光干渉観測の可能なレーザ距離計１００Ａを構築することができる。
【００７５】
また、このような構造の２平行ビームコリメータ１９０は、組み立ての際に、精密に位置決めを行う道具と、精密に固定する道具が必要であるが、位置決め・固定に使用する技術は通常のコリメータの生産技術であり、組み立ての工数が単純化される。また、この２平行ビームコリメータ１９０は、モノコックな構造に近いので、機械的に強く、さらに、堅牢な材料で制作したとしても、干渉計全体に比べて小さく、全体の重量に影響することがない。
【００７６】
また、このレーザ距離計１００Ａでは、また、基準面１５５Ａとしてコーナーリトロリフレクタなどのリトロリフレクタが上記基板１９５上に実装されている。
【００７７】
２平行ビームコリメータ１９０、プリズムユニット１３０、リトロリフレクタを用いた基準面１５５Ａからなる干渉計では、それぞれの部品の設置位置や設置角度が機械的取り付け精度、例えば、一精度０．２ｍｍ、角度精度０．３度程度であっても、それぞれの部品の精度が、干渉信号が自動的に得られる条件を満たすことで、干渉計内のビームの平行度は数１０秒程度に保たれ、干渉信号が自動的に得られる。光検出器すなわちフォトディテクタ１６１Ａ，１６１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ  の位置合わせは必要になるが、検出面のサイズとして直径１００μｍ程度のもの選択することにより、容易に位置合わせを行うことができる。したがって、このレーザ距離計１００Ａでは、複数の光学素子を精度よく調整・固定する必要がなく、全体組み立ての工数が単純化される。
【００７８】
また、このレーザ距離計１００Ａでは、干渉計の筐体を小型軽量に作成したとしても、加速度や環境温度の変動により干渉信号が失われることがなく、信頼性の高い光学計測装置になっている。
【００７９】
次に、干渉信号が自動的に得られる条件について説明する。
【００８０】
例えば、フォトディテクタ１７１Ａで検出される干渉信号の強度は、フォトディテクタ１７１Ａに入射される反射光Ｓ１１’と反射光Ｓ２１’の平行度Ｅで決まる。
【００８１】
ここで、ターゲットを理想的な垂直反射であるとしたときの、干渉計の精度で決まる上記反射光Ｓ１１’と反射光Ｓ２１’の平行度の最大値はＥmaxは、２平行ビームコリメータ１９０における２本のビームの平行度をＡ、１／２波長（λ／２）板１１３，１１４のビーム偏角精度をＢ、基準面１５５Ａとして用いられるリトロリフレクタのビーム偏角精度をＣ、プリズムユニット１３０を構成する第２の台形プリズム１３５の二つの面１３５ｃ、１３５ｄの平行度をＤとしたとき、
Ｅmax＝Ａ＋２×Ｂ＋Ｃ＋２×ｎ×Ｄ
となる。ここで、ｎは、プリズムユニット１３０の材質の屈折率である。
【００８２】
図６は、波長１５５０ｎｍ、ビーム径３．５ｍｍの場合を仮定して、上記平行度Ｅに対する信号の劣化を計算したグラフを示している。この場合、例えば３ｄＢ以下の損失で干渉心が得られる条件は、上記平行度の最大値Ｅmaxが約５０秒以下であればよい。
【符号の説明】
【００８３】
１００，１００Ａ  レーザ距離計、
１０１，１０２  偏波保存光ファイバ
１０３，１０４  偏光子
１１０  第１の光源、
１１１，１１２  偏波保存コリメータ、
１１３，１１４  １／２波長（λ／２）板、
１１５，１１６  １／４波長（λ／４）板、
１２０  第２の光源、
１３０  プリズムユニット、
１３１  第１の台形プリズム、
１３１Ａ  第１の平行四辺形プリズム、
１３２  第１の直角プリズム、
１３３  第２の直角プリズム、
１３４  第３の直角プリズム、
１３５  第２の台形プリズム、
１３５Ａ  第２の平行四辺形プリズム、
１３６，２３６  第４の直角プリズム、
１４１Ａ，１４１Ｂ  全反射面、
１４２Ａ，１４２Ｂ  ビームスプリッタ膜、
１４３，  偏光ビームスプリッタ膜、
１４４，１４５，  反射防止（ＡＲ）膜、
１５０  測定面、
１５５  基準面、
１５５Ａ  基準面（リトロリフレクタ）、
１６０  第１の光検出器、
１６１Ａ，１６１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ  フォトディテクタ、
１６２，１７２  差動検出器、
１７０  第２の光検出器、
１８０  信号処理部
１９０  ２平行ビームコリメータ
１９１  筐体
１９５  基板
【図１】
2015072136.tif 000003
【図２】
2015072136.tif 000004
【図３】
2015072136.tif 000005
【図４】
2015072136.tif 000006
【図５】
2015072136.tif 000007
【図６】
2015072136.tif 000008
【図７】
2015072136.tif 000009
【図８】
2015072136.tif 000010