(57)【要約】  当該発明は、基準位置に対して物体を位置決めするための装置に関するものであり、その特徴は、当該装置がレーザー（１）を有し、該レーザーが、位相反転した状態に変調された少なくとも２つの平行なレーザービームを発するための音響光学変調器（３）に連結され、それらビームは、位置決めすべき物体（ＯＢＪ）と一体化したスロット（Ｆ）に焦点が合わされており、スロット（Ｆ）の大きい辺は位置決めの方向に対して垂直であり、かつ、当該装置がフォトダイオード（１３）を有し、該フォトダイオードが、スロット（Ｆ）から出てくるビームを集めるのに適合しており、かつ、基準位置に対するスロット（Ｆ）の位置を表す信号を出すための同期検波増幅器（９）に連結されていることにある。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準位置に対して物体を位置決めするための装置であって、
その特徴は、
当該装置が、レーザー（１）を有し、該レーザーは、位相反転した状態に変調された少なくとも２つの平行なレーザービームを発するための音響光学変調器（３）と連結され、それらビームは、位置決めすべき物体（ＯＢＪ）と一体化されたスロット（Ｆ）において焦点を合わせられており、該スロット（Ｆ）の大きい辺は、位置決めの方向に対して垂直であり、かつ、
当該装置が、フォトダイオード（１３）を有し、該フォトダイオードは、スロット（Ｆ）から出てくるビームを集めるのに適合しており、かつ、基準位置に対するスロット（Ｆ）の位置を表す信号を出すための同期検波増幅器（９）に連結されている、
ということである、
前記装置。
【請求項２】
光学システムを有し、該光学システムは、上記レーザービームを、コリメートし、焦点を合わせ、かつ、集めることができるものである、請求項１記載の位置決め装置。
【請求項３】
電気的関数発生器（７）および発振器（５）を有し、該発振器（５）は、その出力部において、該電気的関数発生器（７）によって発せられる周期的電気信号の周波数と比較可能な周波数変調を示す無線周波数信号を発し、該無線周波数周期信号は、上記レーザービームのスプリッティングを制御するために該音調光学変調器（３）に送られる、請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項４】
電気的関数発生器（７）によって出される電気信号が、同期検波増幅器（９）のための基準信号である、請求項３に記載の位置決め装置。
【請求項５】
基準位置に対して物体を位置決めするための方法であって、
基準位置に対する物体（ＯＢＪ）の位置の変化が、位置決めすべき物体（ＯＢＪ）と一体化されているスロットから出てくる、位相反転した状態に変調された２つのレーザービームの強度の変化に応じて検出される、前記方法。
【請求項６】
スロット（Ｆ）の幅を変更することによって装置の感度が調節される、請求光５に記載の位置決め方法。
【請求項７】
スロット（Ｆ）から出てくるレーザービームの強度の変化が、フォトダイオード（１３）を用いて検出される、請求光５に記載の位置決め方法。
【請求項８】
位置信号が、出てくるレーザービームを集めるフォトダイオード（１３）から生じる信号に基づいた同期検波によって得られる、請求項７に記載の位置決め方法。
【請求項９】
同期検波の後の位置信号と平行して、誤差信号が獲得される、請求項８に記載の位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測システムに関し、より詳細には光学計測システムに関する。
【０００２】
塊状の物体を高い精度をもって位置決め（ポジショニング）することは、通常、かさばった、または、周囲に敏感な位置決めシステムを必要とする。ある種の用途では、そのような制約は許容され得ず、特に宇宙の分野では、重量および体積の制約がコスト（例えば、軌道上に衛星を乗せるコスト）に直接影響する。
【０００３】
既存の光学式位置決め装置としては、光ファイバー変位装置、容量センサー、または、干渉センサーを挙げることができる。
【０００４】
光ファイバー変位センサーは、１組の光ファイバーを用い、それらは、位置決めされる物体でまたは該物体の一部で反射する光線を発する。他の光ファイバーが、測定信号を発する光電管へと、反射または散乱する光を導くことを可能とする。物体の位置決めは、発せられた光の量に対して、光電管が受け取った光のその性質と量に従って決定される。
【０００５】
容量センサーは、位置決めすべき物体と基準プレートとの間の容量性カップリングに基づく。カップリングの強度(インテンシティ）により、該プレートと物体との間の距離を決定することが可能となる。
【０００６】
変位感受性を有する素子のコンパクトさ、感度、および、軽さを要求する精密用途のためには、光学法則はそれほど適していない。
【０００７】
干渉センサーは、感度が非常に良好であるが、相対的な変位の同定のためにしか適さない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記に鑑みて、本発明の目的は、コンパクトな構成で、干渉システムによってのみ達成された、サブナノメートルの精度を得ることを可能とする計測システムを提供することであり、従って、精度、コンパクトさおよび低コスト性を兼ね備えたシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明の主題は、光学式位置決め装置であって、当該位置決め装置は、レーザーを有し、該レーザーは、位相反転した状態に変調された少なくとも２つの平行なレーザービームを発するための音響光学変調器と連結され、それらビームは、スロットにおいて焦点を合わせられており、該スロットは、位置決めすべき物体と一体化されておりかつ位置決めの方向に垂直であり、かつ、当該位置決め装置は、フォトダイオードを有し、該フォトダイオードは、スロットから出てくるビームを集めるのに適合しており、かつ、基準位置に対するスロットの位置を表す信号を出すための同期検波増幅器に連結されている。
【００１０】
当該位置決め装置は、レーザービーム（複数）をコリメートし（平行にし）、焦点を合わせ、かつ、集めることができる光学システムをさらに有することができる。
【００１１】
当該位置決め装置はまた、電気的関数発生器と、発振器とを有し得、該発振器は、その出力部において無線周波数信号を発し、該信号は、該電気的関数発生器によって発せられたより低い周波数の周期的電気信号による（特には、矩形の信号による）周波数変調を表し、該無線周波数周期信号は、レーザービーム（複数）のスプリッティング（分離）を制御するために該音調光学変調器に送られる。
【００１２】
上で規定されたような位置決め装置では、電気的関数発生器によって出される電気信号は、該同期検波増幅器のための基準信号であり得る。
【００１３】
本発明の主題はまた、別の様相によれば、基準位置に対して物体を位置決めするための方法でもあり、当該方法では、位置決めすべき物体と一体化されているスロットから出てくる、位相反転した状態に変調された２つのレーザービームの強度変化に応じて、基準に対する物体の位置の変化が検出される。
【００１４】
物質からできているスロットの幅を修正することで、当該装置の感度を調節することが可能である。
【００１５】
さらには、フォトダイオードによって、該スロットから出てくるレーザービームの強度の変化を検出することが可能である。
【００１６】
位置信号は、出てくるレーザービームを集めるフォトダイオードから生じる信号に基づいた同期検波によって得ることが可能である。
【００１７】
同期検波の後の位置信号と平行して、誤差信号を得ることが可能である。
【００１８】
本発明の他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例としてのみ与えられる以下の説明を読めば明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】図１ａは、本発明による、光学式位置決め装置の一つの実施形態を示している。
【図１ｂ】図１ｂは、本発明による、光学式位置決め装置の別の実施形態を示している。
【図２】図２は、レーザービームおよびスロットの位置決めを概略で示している。
【図３】図３は、スロットの前および後における、光学式位置決めシステムによって得られる強度の空間的な分布を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
先ず第１に、図１ａを参照すると、当該計測装置は、レーザー１を必須に有し、該レーザー１のビームは、音響光学変調器３に入り、かつ、当該計測装置はまた、周期関数発生器７を有し、該周期関数発生器７は、接続部８によって同期検波増幅器９に接続され、かつ、当該計測装置は、無線周波数発振器５を有し、該無線周波数発振器５は、接続部６を通じて周期関数発生器７と通信し、かつ、接続部４を通じて音響光学変調器３と通信する。
【００２１】
音響光学変調器３は、少なくとも２つのその出力部にて、２つのシングルモードファイバー１０に連結され、それらファイバー自体は、コリメーター１１に連結されている。コリメーター１１は、レンズＬ１、それに続いてレンズＬ２、およびそれに続いてマルチモードファイバー１２を有する光学システム内に位置している。マルチモードファイバー１２の出力部は、フォトダイオード１３に接続され、フォトダイオード１３は、それ自体、接続部１４によって同期検波増幅器９に接続されている。
【００２２】
位置決めすべき物体ＯＢＪと一体化されているスロットＦは、レンズＬ１とレンズＬ２との間に配置される。
【００２３】
本発明による位置決め装置の全体的な構造が、図１ａに示されている。当該光学式位置決め装置の光学的部分ＯＰＴに対して、物体ＯＢＪを位置決めすることが意図されている。
【００２４】
レーザー１は、（０；０）型のＴＥＭモード（mode transverse electromagnetique de type (0;0)）を示すガウス型の波を発するように構成される。図３は、方向ｘでのそのような波動の強度（インテンシティ）のプロファイル１９を示している。
【００２５】
音響光学変調器３は、ブラッグ回折の原理に基づいている。無線周波数波によって音波が結晶中で生成され、それにより、格子型の構造を現す結晶の歪みを生じさせる。あるレーザービームが結晶を横断するとき、回折が起こってそのレーザービームを２つのビームへとスプリッティング（分離）する。そのとき、２つのビーム同士の間でのトータル強度の配分は、ブラッグの式によれば、入射ビームと結晶中の音波との間の角度に依存する。
【００２６】
さらには、音響光学変調器３の音波は、低周波数発生器７から生じる低周波数信号によって変調される。与えられた入射角度を呈する最初のビームについて、２つのビーム間での強度の分配は、音波のエネルギー変調によって変調されることになり、従って、音響光学変調器に入る無線周波数波の強さ（パワー）に従って変調されることになる。そして、音響光学変調器３から出てくる２つのビームは、位相反転の状態にある。
【００２７】
図１ｂは、本発明の別の実施形態を示している。音響光学変調器３は、２つのレーザー１ａおよび１ｂのために省かれている。レーザー１ａは、連結部４ａによって低周波数発生器７に接続されている。同様に、レーザー１ｂは、連結部４ｂによって低周波数発生器７に接続されている。出力部において、それらは、シングルモード光ファイバー１０に接続されている。
【００２８】
２つのレーザー１ａと１ｂとは、交互に発せられるように低周波数発生器７によって制御される。位相反転の状態に変調された２つのビームが得られる。装置の残り部分は、図１ａで説明した装置と同じである。
【００２９】
これら２つのビームのそれぞれは、シングルモード光ファイバー１０およびそれに続くコリメーター１１によって導かれる。コリメーター１１は、それらビームを、互いに対して、レンズＬ１およびＬ２によって形成される光軸に対して、およびスロットＦに対して、位置調整することを可能とする。これらのビームは、次いで、スロットＦの上流のレンズＬ１によって焦点を合わされる。出てくるビームは、レンズＬ２を通じて、マルチモード光ファイバー１２の入力部に向かって集まり、該光ファイバーは、フォトダイオード１３へと出てきている。該フォトダイオード１３は、同期検波増幅器９に対して電気信号を発する。
【００３０】
同期検波増幅器９は、音響光学変調器３で入射波の変調を助けた低周波数発生器７から生じる低周波数信号を、その基準入力（参照入力）において受信する。同期検波増幅器９は、フォトダイオード１３から生じる全ての信号のうち、該低周波信号と同一の周波数を示す信号を分離する。分離された信号は次いで、リンク１５によって発せられる。
【００３１】
ガウス波は、図３の強度分布１９、すなわち、最大値を通りかつ横軸の両方向において最小値に向かうガウス型の分布を示す。強度の曲線の形状が位置（ポジション）に応じたものであるため、与えられた強度が２つの位置に対応することができる。物体の絶対的な位置は、決定することはできない。
【００３２】
位相反転の状態にある２つのガウス型ビームを用いることにより、図３の強度分布２１が、スロットＦからの出力において得られる。
【００３３】
スロットＦは、軸１８に沿って、２つのビームによって形成される平面内で変位され、該スロットＦは、該平面に対して垂直である。スロットの小さい辺は、変位１８の方向を向いており、大きい辺は変位１８の方向に対して垂直である。
【００３４】
スロットＦについて、いくつかの位置が可能である。極端な位置としては、ビーム同士の間の重なり合い（オーバラップ）がゼロになる位置である。禁止される位置は、ビームが集中する点に存在し、そこでは、スロットＦからの出力における強度プロファイルによってスロットＦの位置を決定することが可能ではない。
【００３５】
スロットＦは、レーザービームの焦点の幅と同等の大きさであり、その焦点の幅の寸法は、レーザービームの波長の２乗に等しいか、または、それより大きい。スロットＦが変位するにつれ、該スロットＦは、一方のレーザービームを、続いて他方のレーザービームを、順次に蝕して隠す。２つのレーザービームは、位相反転の状態にあり、かつ、スロットの高さにおいて、空間的にシフトされているため、スロットからの出力におけるトータル強度に対する各レーザービームの寄与を決定することが可能である。スロットからの出力における強度のプロファイルは、位置に応じており、横軸の原点において消滅し、かつ、該原点の両側で最小値と最大値とを示すガウス型の曲線を示すことが分かる。
【００３６】
この強度プロファイル２１のために、および、スロットＦの中心が２つのビーム間の軸１７上にあるために、スロットＦの方向１８での小さな変位は大きな強度変化を生じることになる。そのため、装置の感度は、強度分布の原点における勾配にのみ依存する。この勾配は、ビームの焦点合わせ、および／または、スロットの幅を変更することによって調節可能である。
【００３７】
この光学的な波に基づいた位置決め装置は、スロットＦ（その小さな幅が位置決めの方向に対応している。）と一体化された物体の位置を、当該装置の光学的部分ＯＰＴに対して正確に決定することを可能とする。全体的には、スロットＦの質量は、物体ＯＢＪの質量と比べて無視できると考えてよい。その結果、物体ＯＢＪの運動に対する当該位置決めシステムの応答速度は早く、それが当該位置決め装置を、振動などの早い運動を呈する物体の位置および運動を検出するためにも適したものにする。
【００３８】
図１ａおよび１ｂに見られるように、当該光学式位置決め装置は、枠部１６と、光学的部分ＯＰＴとに分解でき、それらが光ファイバーによって連結されている。従って、当該光学式位置決め装置は、種々の媒体（特には、真空および液体を含む）中で機能する光学的部分ＯＰＴと共に機能することができるという特徴を示す。光学的部分ＯＰＴは、光ファイバーによって接続されているため、その位置は、光ファイバーの長さに起因する該光ファイバーの吸収によってのみ限定される。従って、例えば、原子力発電所のコアにおける成分または亀裂の測定といった、厳しい媒体中での用途を想像することができる。光学的部分ＯＰＴは、いかなる電気的または電子的なシステムをも呈さないため、電磁波に対する何らの感度も示さず、それにより、発電所、レーダー レドーム、または、爆発性雰囲気などの難しい環境において機能することが可能である。
【００３９】
当該光学式位置決め装置はまた、その高い感度のために、超高感度の地震学においてもその用途を見出すことができるであろうし、または、近視野顕微鏡法などの顕微鏡法における計測における適用においてもその用途を見出すことができるであろう。
【００４０】
例えば、ＶＥＣＳＥＬ型のレーザーおよび光ファイバーの代わりに導波管を用いて、マイクロエレクトロニクス技術によって当該装置の種々の要素を一体化することが考えられる。同様に、制御エレクトロニクスの大部分または全くその全体を一体化することができ、それにより、高精度のコンパクトな位置決め装置を得ることが可能となる。
【００４１】
より多くのレーザービームを有する装置を作ることも考えられる。例えば、４つのレーザービームは、２つの別個の方向で物体の変位を調べることを可能にするであろう。この場合、スロットは穴と交換され、各ペアのビームにより、ある方向での該ホールの変位を、該ホールの直径の限界まで決定することが可能となる。
【００４２】
最後に、コストの低減という観点から、光ファイバーを省くこともできるであろう。レーザービームは、音響光学モジュレーターの出力部において直接コリメートされ、フォトダイオードは、光学システムの出力部に直接置かれるであろう。このアプローチはまた、さらにより劇的にコストを低減するために、代替的な実施形態で説明したように音響光学モジュレーターの代わりに２つのレーザーを使用することと組み合わせることもできるであろう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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