(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを、測定反射ユニットに向かう測定ビームと参照ビームとに分割すると共に、逆方向に反射されてくる前記測定ビームと前記参照ビームとの干渉光を合成し、該干渉光の干渉縞の変化をカウントすることにより前記測定反射ユニットとの相対移動距離を測定するレーザ測長器であって、
前記レーザビームを第１のビームと第２のビームとに分割する第１のビームスプリッタと、
前記第２のビームを第３のビームと第４のビームとに分割するとともに、これら第３及び第４のビームと逆方向に入射するそれぞれの反射ビームを前記第２のビームと逆方向に出射する第２のビームスプリッタと、
前記第３及び第４のビームのいずれかを前記測定ビームとするとき、前記第１のビームの光路上に移動して、入射する第１のビームを入射方向に反射して前記参照ビームとする第１の参照用反射ユニットと、
前記第１のビームを前記測定ビームとするとき、前記第３のビームの光路上に移動して、入射する第３のビームを入射方向に反射して前記参照ビームとする第２の参照用反射ユニットと、
前記第２のビームスプリッタから前記第２のビームと逆方向に出射した前記第３及び第４のビームの反射ビームのいずれかから、第１のビームと逆方向に前記第１のビームスプリッタに入射する該第１のビームの反射光と前記第１のビームスプリッタにおいて合成されるビームを選択するビーム選択部と、
前記ビーム選択部により選択されたビームと、前記第１のビームの反射ビームとの間の干渉光の干渉縞に応じた電気信号を生成する受光部と、
を備え、前記第１、第３及び第４のビームを前記測定ビームとして３軸方向に出射し、そのうち前記第４のビームを常時出射することを特徴とするレーザ測長器。
【請求項２】
レーザビームを、測定反射ユニットに向かう測定ビームと参照ビームとに分割すると共に、逆方向に反射されてくる前記測定ビームと前記参照ビームとの干渉光を合成し、該干渉光の干渉縞の変化をカウントすることにより前記測定反射ユニットとの相対移動距離を測定するレーザ測長器であって、
前記レーザビームを第１のビームと第２のビームとに分割する第１のビームスプリッタと、
前記第２のビームを第３のビームと第４のビームとに分割するとともに、これら第３及び第４のビームと逆方向に入射するそれぞれの反射ビームを前記第２のビームと逆方向に出射する第２のビームスプリッタと、
前記第３及び第４のビームのいずれかを前記測定ビームとするとき、前記第１のビームの光路上に移動して、入射する第１のビームを入射方向に反射して前記参照ビームとする第１の参照用反射ユニットと、
前記第１のビームを前記測定ビームとするとき、前記第３のビームの光路上に移動して、入射する第３のビームを入射方向に反射して前記参照ビームとする第２の参照用反射ユニットと、
前記第２のビームスプリッタから前記第２のビームと逆方向に出射した前記第３及び第４のビームの反射ビームのいずれかから、第１のビームと逆方向に前記第１のビームスプリッタに入射する該第１のビームの反射光と前記第１のビームスプリッタにおいて合成されるビームを選択するビーム選択部と、
前記ビーム選択部により選択されたビームと、前記第１のビームの反射ビームとの間の干渉光の干渉縞に応じた電気信号を生成する受光部と、
を備えることを特徴とするレーザ測長器。
【請求項３】
前記第１及び第２のビームスプリッタとしてそれぞれ偏光ビームスプリッタを設けるとともに、前記第２ビームの偏光方向を４５度回転させる第１の偏光調整部をこれらビームスプリッタ間に設け、
前記ビーム選択部は、前記第２のビームスプリッタから前記第２のビームと逆方向に出射した反射ビームの偏光方向を９０度回転させるか否かの切換が可能な第２の偏光調整部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ測長器。
【請求項４】
前記第２の偏光調整部は、光路上の位置と、当該光路を遮断しない位置との間で移動可能な１／２波長板である請求項３に記載のレーザ測長器。
【請求項５】
前記第２の偏光調整部は、印加電圧に応じて通過するレーザビームの偏光方向を９０度回転させるか否かの切換が可能な電気光学素子である請求項３に記載のレーザ測長器。
【請求項６】
前記第２のビームスプリッタは偏光ビームスプリッタであり、
前記ビーム選択部は、前記第２のビームスプリッタから前記第２のビームと逆方向に出射した前記第３及び第４のビームの反射ビームの光路上に設けられ、偏光方向を変えることにより、これら反射ビームのいずれか一方のみを透過させる偏光部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ測長器。
【請求項７】
前記偏光部は、交互に光路上に位置付けられる移動可能な偏光方向が異なる複数の偏光板である請求項６に記載のレーザ測長器。
【請求項８】
前記偏光部は、光路を回転軸として回転することにより偏光方向を変更可能な偏光板であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ測長器。
【請求項９】
前記偏光部は、印加電圧に応じて偏光方向の切換が可能な電気光学素子である請求項６に記載のレーザ測長器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つに分割したレーザ光の一方を測定物体に取り付けられる反射鏡（コーナーキューブ）で反射させ、もう一方を固定の参照用コーナーキューブで反射させて戻ってきたレーザ光と干渉させ、測定物体との相対移動量に伴い変化する干渉縞の本数を計数して相対移動距離を測定するレーザ測長器に関する。特に数値制御（ＮＣ）工作機械において、ＩＳＯ２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１−１９９０等に規定されている各移動軸方向の移動量誤差を測定するレーザ測長器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＣ工作機械の精度については、ＩＳＯ２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１−１９９０等の規格に試験項目や試験方法が規定されている。ここで規定されている項目は、各移動軸方向の移動量誤差、バックラッシュ、ヨーイング等である。また、例えば各移動軸方向の移動量誤差の試験方法では、各移動軸方向毎に所定量ずつ移動する動作を行った後、逆方向に同じように戻る動作を所定量繰り返し、それぞれの移動点での誤差の最大値や２乗平均値を算出する方法が規定されている。
上記のような試験項目の測定には、通常の接触型のゲージや磁気スケール等も使用されるが、もっとも一般的にはレーザ測長器が使用される。図１は、レーザ測長器を使用してＮＣ工作機械（マシニングセンタ）の精度を測定するための従来の配置例を示す図である。図１に示すように、工作機械９１は、加工ツールを保持し駆動する加工ツール部９２と、被加工物を載せる載物台９３と、それらの制御を行うＮＣコントローラ９７を備える。加工ツール部９２は上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能であり、載物台９３はＺ軸方向に垂直な平面内の相互に垂直な２方向に移動可能であり、ＮＣコントローラ９７により移動が制御される。
上記のＩＳＯ２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１−１９９０の移動量誤差とバックラッシュの測定に関する規定では、これらのＮＣコントローラ９７から各軸方向に所定の移動量だけ移動するように指示した時に実際にどれだけ移動したかを測定する。図示しているのは、矢印で示した方向（Ｘ軸方向）の移動量誤差とバックラッシュを測定する場合であり、まずレーザ光源３から出射されるレーザ光の光軸がＸ軸方向に一致するように光軸合わせしたレーザ光源３を配置する。次に加工ツール部９２の先端にレーザ干渉測長器の干渉光学ユニット１００をレーザ光が入射するように取り付け、載物台９３の端に反射鏡（コーナーキューブ）１７を配置する。
図２は、干渉光学ユニット１３の構成を示す図である。レーザ光源３は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の可干渉性の良好な（干渉距離の長い）レーザ光を出力するレーザ光源であり、そこから出力されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１３１で２つのレーザビームに分けられる。この時、偏光ビームスプリッタ１３１の光軸は入射するレーザ光の偏光面に対して４５度になるように調整されている。この場合、偏光ビームスプリッタ１３１を透過するレーザ光はＰ偏光、偏光ビームスプリッタ１３１で反射するレーザ光はＳ偏光と呼ばれ、互いに偏光方向が直交している。
一方のレーザビーム（Ｐ偏光）は載物台９３の端に配置されたコーナーキューブ１７に入射し、そこで逆方向に反射されて再び偏光ビームスプリッタ１３１に入射する。他方のレーザビーム（Ｓ偏光）は干渉光学ユニット１００に設けられた参照用コーナーキューブ１３２に入射し、そこで逆方向に反射されて再び偏光ビームスプリッタ１３１に入射する。コーナーキューブ１７から偏光ビームスプリッタ１３１に入射したレーザビームと参照用コーナーキューブ１３２から偏光ビームスプリッタ１３１に入射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１３１で重なり合い、偏光板１３８を通過した後光検出器１３３に入射する。
これらの２つのレーザビームは相互に干渉し干渉縞を生じるが、干渉縞の強度は２つのレーザビームの光路差がレーザビームの波長の整数倍の時にもっとも大きくなり、光路差が波長の整数倍と１／２異なる時にもっとも小さくなる。そのため、載物台９３が相対移動し、その端に配置されたコーナーキューブ１７が移動すると光検出器１３３の出力強度が周期的に変化する。具体的にはコーナーキューブ１７が１／２波長分相対移動すると、往復で波長分の光路差が生じるため、光検出器１３３の出力強度が変化するサイクル数に１／２波長を乗じた値がコーナーキューブ１７、すなわち載物台９３の移動距離である。
光検出器１３３の出力信号は、増幅器１３４で増幅された後、比較器１３５で出力信号の中間レベルと比較されて２値信号に変換され、それをカウンタ１３６で計数する。測長値算出部１３７は、カウンタ１３６の値から移動距離を算出する。
ＮＣ工作機械の精度については、ＩＳＯ２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１−１９９０等の規格に試験項目や試験方法が規定されており、ここで規定されている項目の各移動軸方向の移動量誤差は、レーザ測長器を使用して測定するのが一般的である。従来は、図２に示した干渉ユニットを工作機械に取付けた上で、外部に設けたレーザ光源から干渉ユニットにレーザ光を入射させるようにセットし、工作機械の載物台に反射鏡（コーナーキューブ）を配置し、載物台の移動距離を測定していた。しかし、レーザ光源から干渉ユニットに入射するレーザ光が各移動軸に平行になるようにセッティングするのは煩雑であるだけでなく、そのようなセッティングが行えない場合もある。日本国登録実用新案２５１７９２９号公報にはレーザ光源から干渉光学ユニットへのレーザビームの伝達を光ファイバで行うことにより配置の自由度を大幅に向上させた分離型レーザ干渉計が提案されており、このような分離型レーザ干渉計を使用することにより、上記の問題は解決される。
しかし、工作機械では移動軸は通常３軸あり、これらのすべての移動軸方向について移動量誤差を測定する必要がある。そのため、１つの移動軸の測定が終了すると、別の移動軸の測定を行うように干渉ユニットの方向やコーナーキューブの配置を変更する必要があり、調整作業が煩雑であるという問題があった。このような問題を解決するため、本出願人は、日本国公開特許公報特開平９−２４３３２２号公報で、相互に直角をなす３方向に測定レーザビームを出射するように切り換えられるレーザ干渉器を開示している。
【発明の開示】
【０００３】
このように、従来より直交する３軸方向の移動距離をレーザ干渉計で測定する際には、測定ビームの出射方向を直交３軸に切換えられる測定ヘッドを用いて工作機械等の各軸の位置決め測定を行っていた。この場合、測定ヘッドから出射される直交３軸のビームは互いに直交であるべく、ビームの出射方向を調整する必要がある。
この調整は、直交３軸のビームのうちの２本のビームの組合せを３通り選んで、２本のビームのうちの一方の光軸をぺンタプリズムで直角に曲げて、他のビームの光軸と平行になるように、これらビームの出射光に設けたウェッジプリズムを調整するなどの調整手順で行っていた。
しかしながら、日本国登録実用新案２５１７９２９号公報に示すようなレーザ干渉器では、直交３軸方向に出射されるビームのうち、測定方向に出射する測定ビームのみが干渉光学ユニットから出射する構成となっており、２軸のビームが同時に存在しないため上記調整が難しい。それゆえに直交調整が不十分となる場合が発生するおそれがあった。
上記問題点に鑑み、本発明は、直交３軸方向に測定レーザビームを出射して、これら３軸方向における相対移動量を測定するレーザ干渉器において、直交３軸方向の直交調整を容易に行うことが可能なレーザ干渉器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によるレーザ干渉器は、レーザビームを、測定反射ユニットに向かう測定ビームと参照ビームとに分割すると共に、逆方向に反射されてくる測定ビームと参照ビームとの干渉光を合成し、この干渉光の干渉縞の変化をカウントすることにより測定反射ユニットとの相対移動距離を測定するレーザ測長器において、測定ビームを出射する直交３軸方向のうち、少なくとも１軸方向について測定ビームを常時出射する。
上記の通り、３軸の測定ビームの直交性は２軸の測定ビームの組合せの調整により行われるが、この際、少なくとも１軸のビームが常時出射していることにより、直交調整を容易かつ正確に行うことが可能となる。
例えば３軸の測定ビームのうち１軸が常時出射する場合は、２軸の測定ビームを組合せる３通りの組合せのうち、２通りの組合せにおいて常に２軸のビームが存在しているので調整が容易かつ正確になる。３軸の測定ビームのうち２軸が常時出射する場合は、常に２軸のビームが存在しているので調整が容易かつ正確になる。
このため、本発明によるレーザ測長器は、レーザビームを第１のビームと第２のビームとに分割する第１のビームスプリッタと、第２のビームを第３のビームと第４のビームとに分割するとともにこれら第３及び第４のビームと逆方向に入射するそれぞれの反射ビームを第２のビームと逆方向に出射する第２のビームスプリッタと、第３及び第４のビームのいずれかを測定ビームとするとき第１のビームの光路上に移動して入射する第１のビームを入射方向に反射して参照ビームとする第１の参照用反射ユニットと、第１のビームを測定ビームとするとき第３のビームの光路上に移動して入射する第３のビームを入射方向に反射して参照ビームとする第２の参照用反射ユニットと、第２のビームスプリッタから第２のビームと逆方向に出射した第３及び第４のビームの反射ビームのいずれかから第１のビームと逆方向に第１のビームスプリッタに入射する第１のビームの反射ビームと第１のビームスプリッタにおいて合成されるビームを選択するビーム選択部と、ビーム選択部により選択されたビームと第１のビームの反射ビームとの間の干渉光の干渉縞に応じた電気信号を生成する受光部と、を備えて構成し、これら第１、第３及び第４のビームを３軸方向に出射する測定ビームとし、このうち第４のビームを常時出射する。
ビーム選択部は、第２のビームスプリッタから第２のビームと逆方向に出射した反射ビームの偏光方向を９０度回転させるか否かの切換が可能な第２の偏光調整部として実現してよい。このとき、第１及び第２のビームスプリッタとしてそれぞれ偏光ビームスプリッタを設けるとともに、第２ビームの偏光方向を４５度回転させる第１の偏光調整部をこれらビームスプリッタ間に設ける。
第２の偏光調整部は、光路上の位置とこの光路を遮断しない位置との間で移動可能な１／２波長板として構成してよく、または、印加電圧に応じて通過するレーザビームの偏光方向を９０度回転させるか否かの切換が可能な、例えば液晶光学素子のような電気光学素子として構成してよい。
または、ビーム選択部は、第２のビームスプリッタから第２のビームと逆方向に出射した第３及び第４のビームの反射ビームの光路上に設けられ、偏光方向を変えることにより、これら反射ビームのいずれか一方のみを透過させる偏光部として実現してよい。このとき第２のビームスプリッタとして偏光ビームスプリッタを設ける。
偏光部は、交互に光路上に位置付けられる移動可能な偏光方向が異なる複数の偏光板として構成してよく、または光路を回転軸として回転することにより偏光方向を変更可能な偏光板として構成してもよく、あるいは印加電圧に応じて偏光方向の切換が可能な、例えば液晶光学素子のような電気光学素子として構成してよい。
本発明の上述した及び他の目的及び特徴は、添付図面を参照しながら以下に示される好適実施例についての説明を読むことによって、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、ＮＣ工作機械の移動方向の移動誤差を測定する従来の配置例を示す図である。
図２は、従来の干渉光学ユニットの構成を示す図である。
図３は、本発明の実施例によるレーザ干渉器のブロック図である。
図４は、図３に示す光学干渉ユニットの構成図である。
図５は、図４に示すレシーバ部の構成図である。
図６は、第１軸方向について距離測定を行う際の光学干渉ユニット１の動作説明図である。
図７は、第２軸方向について距離測定を行う際の光学干渉ユニット１の動作説明図である。
図８は、第３軸方向について距離測定を行う際の光学干渉ユニット１の動作説明図である。
図９は、ウェッジプリズムによる３軸の直下性調整を説明する図である。
図１０は、第１軸ビームＬ１と第３軸ビームＬ３の直角度調整を説明する図である。
図１１は、第２軸ビームＬ２と第３軸ビームＬ３の直角度調整を説明する図である。
図１２は、第１軸ビームＬ１と第２軸ビームＬ２の直角度調整を説明する図（その１）である。
図１３は、第１軸ビームＬ１と第２軸ビームＬ２の直角度調整を説明する図（その２）である。
図１４は、ビーム選択部の第２実施例の構成図である。
図１５Ａは、ビーム選択部の第３実施例の構成図である。
図１５Ｂは、ビーム選択部の第４実施例の構成図である。
図１５Ｃは、ビーム選択部の第５実施例の構成図である。
【符号の説明】
【０００５】
１…干渉光学ユニット
２…電源
３…レーザ光源
４…偏波保持ファイバ
５…ライトガイド
６…光電変換部
８…カウンタ
９…計算部
２２…第１偏光ビームスプリッタ
２３、５０…１／２波長板
２４…第２偏光ビームスプリッタ
３０…レシーバ部
４１…第２参照用反射ユニット
４３…第１参照用反射ユニット
１７１、１７２、１７３…測定反射ユニット
Ｌ１…第１軸ビーム
Ｌ２…第２軸ビーム
Ｌ３…第３軸ビーム
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図３は、本発明の実施例によるレーザ干渉器のブロック図である。図示するとおりレーザ干渉器は、電源２と、電源２に接続され、波長安定化制御により波長が安定化されるレーザビームを出射する波長安定化ＨｅＮｅレーザ光源３と、このレーザビームを後述する干渉光学ユニット１まで伝達する偏波保持ファイバ４とを備える。
ここで本レーザ干渉器を図１及び図２を参照して説明したＮＣ工作機械の精度の測定に使用する場合には、干渉光学ユニット１は、工作機械９１の加工ツールを保持し駆動する加工ツール部９２の先端に設けられる。そして載物台９３には、干渉光学ユニット１から第１軸方向に出射される測定ビームＬ１を反射して干渉光学ユニット１へ戻す測定反射ユニット１７１と、第２軸方向に出射される測定ビームＬ２を反射して干渉光学ユニット１へ戻す測定反射ユニット１７２と、第３軸方向に出射される測定ビームＬ３を反射して干渉光学ユニット１へ戻す測定反射ユニット１７３とが設けられる。これら測定反射ユニット１７１〜１７３としてコーナーキューブが好適に使用される。
また、本レーザ干渉器は、測定反射ユニット１７１〜１７３から干渉光学ユニット１へ戻された測定ビームと後述する参照ビームとを、干渉光学ユニット１内で干渉させて得られる位相の９０度ずつ異なる４相干渉信号を、フォトディテクタ７によって光電変換して４相の電気信号を生成する光電変換部６を備える。
さらに、本レーザ干渉器は、４相干渉信号を干渉光学ユニット１から光電変換部６へ伝達するライトガイド５と、光電変換部６が生成する４相の電気信号の強弱の変化をカウントするカウンタ部８と、このカウント値に波長を乗じ長さに換算するパーソナルコンピュータ等の計算部９と、を備える。
図４は、図３に示す光学干渉ユニット１の構成図である。光学干渉ユニット１は、偏波保持ファイバ４から出射されたレーザ光を平行ビームにするコリメータレンズ２１と、この平行ビームを第２軸方向に進行する第２軸ビームＬ２と第１軸方向に進行するビームＬｉとに分光する第１偏光ビームスプリッタ２２と、ビームＬｉの偏光方向を４５度回転させる１／２波長板２３と、１／２波長板２３を通過したビームＬｉを第１軸方向に進行する第１軸ビームＬ１と第３軸方向に進行するビームＬ３とに分光する第２偏光ビームスプリッタ２４と、を備える。
また、光学干渉ユニット１は、第１軸ビームＬ１及び第３軸ビームＬ３のいずれかを、光学干渉ユニット１の筐体１０に設けられた出射孔１１及び１３からそれぞれ出射させてこれらを測定ビームとするとき、第２軸ビームＬ２の光路上に移動して、入射する第２軸ビームを入射方向に反射して参照ビームとする第１の参照用反射ユニット４３及びこれを移動させる移動機構４４と、第２軸ビームＬ２を出射孔１２から出射させて測定ビームとするとき、第１軸ビームＬ１の光路上に移動して、入射する第１軸ビームを入射方向に反射して参照ビームとする第２の参照用反射ユニット４１及びこれを移動させる移動機構４２とを備える。これら参照用反射ユニット４１及び４３もまたコーナーキューブとしてよい。
ここで、第１軸ビームＬ１が測定反射ユニット１７１や第２の参照用反射ユニット４１によって逆方向に反射されると、その反射ビームは再び第２偏光ビームスプリッタ２４に入射してビームＬｉと反対方向に出射し、また、第３軸ビームＬ３が測定反射ユニット１７３などによって逆方向に反射されると、その反射ビームもまた再び第２偏光ビームスプリッタ２４に入射し、ビームＬｉと反対方向に出射する。そして第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームは、第１偏光ビームスプリッタ２２に再び入射する。
一方で、第２軸ビームＬ２が測定反射ユニット１７２や第１の参照用反射ユニット４３によって逆方向に反射されると、その反射ビームは再び第１偏光ビームスプリッタ２２に入射する。
光学干渉ユニット１は、第２偏光ビームスプリッタ２４からビームＬｉと反対方向に出射した第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのうちいずれか一方を、第１偏光ビームスプリッタ２２において第２軸ビームＬ２の反射ビームと合成させるビームとして選択するビーム選択部５０及び５１を備える。図４に示す実施例においてビーム選択部は、これら反射ビームの偏光方向（偏光面）を９０度回転させる１／２波長板５０と、この１／２波長板５０を反射ビームの光路上の位置と光路を遮断しない位置との間で移動可能な移動機構５１とから成る。
さらに、光学干渉ユニット１は、第１軸ビームＬ１及び第３軸ビームＬ３の反射ビームの一方と第２軸ビームＬ２の反射ビームとを合成した合成ビームＬｍを受光して、これら反射ビームを干渉させて位相の９０度ずつ異なる４相干渉信号を生成するレシーバ部３０を備える。
またさらに、光学干渉ユニット１は、筐体１０に設けられた出射孔１２及び１３からそれぞれ出射する第２軸ビームＬ２及び第３軸ビームＬ３の方向を調整するためのウェッジプリズム２５及び２６を備える。
図５は、図４に示すレシーバ部３０の構成図である。図において、参照番号３１は第１偏光ビームスプリッタ２２において合成された合成ビームＬｍの偏光方向（偏光面）を４５度回転する１／２波長板であり、３２は無偏光ビームスプリッタであり、３３は偏光ビームスプリッタであり、３４は４５度直角プリズムである。また参照番号３５は４５度直角プリズムであり、３６はビームＬｍに含まれる第２軸ビームＬ２の反射ビームに係る成分、及びビームＬｍに含まれる第１軸ビームＬ１又は第３軸ビームＬ３の反射ビームに係る成分のうちの一方の成分の位相を９０度ずらすための１／４波長板であり、３７は偏光ビームスプリッタであり、３８は４５度直角プリズムである。
これら各部の働きについては、以下の図６を参照して説明される第１軸方向の距離測定時における光学干渉ユニット１の動作説明に併せて説明する。
図６は、第１軸方向について距離測定を行う際の光学干渉ユニット１の動作説明図である。偏波保持ファイバ５から出射したレーザ光は、コリメータレンズ２１によって第１軸方向に進行する平行ビームにされる。
そしてこのレーザビームは第１偏光ビームスプリッタ２２により分光され、その一方は入射方向と直角方向である第２軸方向に反射してＳ偏光成分の第２軸ビームＬ２となり、他方は入射方向に進行するＰ偏光成分のビームＬｉとなる。なお、図において１点鎖線で示した各ビームのビーム光軸に付してそのビームの偏光方向を両矢印で示す。
その後、分光されたビームＬｉは１／２波長板２３により偏光軸が４５度回転される。ビームＬｉは第２偏光ビームスプリッタ２４により更に分光され、第２偏光ビームスプリッタ２４を透過して第１軸方向に進行するＳ波成分の第１軸ビームＬ１と、第２偏光ビームスプリッタ２４で反射して第３軸方向に進行するＰ波成分の第３軸ビームＬ３となる。
第１軸ビームＬ１は光学干渉ユニット１から出射し、測定対象物に取り付けられた測定反射ユニット１７１により反射して再び光学干渉ユニット１に戻る。
一方で第２偏光ビームスプリッタ２４により反射された第３軸ビームＬ３は、ウェッジプリズム２６を透過して常時出射光となる。このウェッジプリズム２６は、３軸の相互直交性を得るために第３軸ビームＬ３の方向を調整するべく設けられる。なおレーザ光が常時出射される第３軸方向は、安全のためＮＣ工作機械の鉛直方向に設定することが望ましい。
測定反射ユニット１７１で反射して一定間隔（例えば１０ｍｍ）ずれて戻った第１軸ビームＬ１の反射ビームは、再び第２偏光ビームスプリッタ２４を透過する。そして、移動機構５１によってその光路上に位置付けられた１／２波長板５０により偏光軸（偏光方向）が９０度回転させられてＰ偏向成分に変わる。これによって第１偏光ビームスプリッタ２２を透過し、測定ビームとしてレシーバ部３０に入射する。
一方で、第１偏光ビームスプリッタ２２で反射された第２軸ビームＬ２は、その光路上に位置付けられた第１の参照用反射ユニット４３により反射され、一定間隔（例えば１０ｍｍ）ずれて戻り、第１偏光ビームスプリッタ２２により反射して参照ビームとしてレシーバ部３０に入射する。
図５に戻って、第１軸ビームＬ１の反射光（測定ビーム）と第２軸ビームＬ２の反射ビーム（参照ビーム）とを、第１偏光ビームスプリッタ２２によって合成した合成ビームＬｍが、レシーバ部３０に入射する。この場合、測定ビームがＰ偏向成分であり、参照ビームはＳ偏向成分となる。
合成ビームＬｍが１／２波長板３１を通過すると、Ｐ、Ｓ両偏光とも４５度だけ偏光方向（偏光面）が回転され、無偏光ビームスプリッタ３２に入射する。無偏光ビームスプリッタ３２により分光されたビームは透過するビームと反射されるビームに分かれ、透過ビームは偏光ビームスプリッタ３３に入射して更に分光される。このとき偏光ビームスプリッタ３３によって分光されたレーザ光は、測定ビームと参照ビームとが干渉して干渉信号を生成する。そして、偏光ビームスプリッタ３３を透過して生成された干渉信号に対し、反射して生成された干渉信号は明暗の位相が１８０度異なった信号として生成する。偏光ビームスプリッタ３３により反射した干渉信号は４５度直角プリズム３４により反射して、０度干渉信号と平行に出射する。
一方で、無偏光ビームスプリッタ３２により反射した合成ビームＬｍは、４５度直角プリズム３５により反射した後、１／４波長板３６の作用によって、測定ビーム及び参照ビームのいずれか一方がその位相を９０度ずらされる。そして偏光ビームスプリッタ３７に入射し、測定光と参照光とが干渉し干渉信号を生成する。
このとき、偏光ビームスプリッタ３７を透過して生成された干渉信号に対し、反射して生成された干渉信号は明暗の位相が１８０度異なった信号として生成する。ただし１／４波長板３６で位相が９０度ずれていることから、上記０度干渉信号に対し、偏光ビームスプリッタ３７を透過して生成された干渉信号は９０度干渉信号、反射して生成された干渉信号は２７０度干渉信号となる。
この様にして生成された４相の０度、９０度、１８０度、２７０度干渉信号は図４に示すライトガイド５に出射され、光電変換部６まで伝送される。そののち、これら４相の干渉信号は光電変換部６にて４相の電気信号に変換されて、カウンタ部８に入力される。
カウンタ部８では、入力した４相信号のうちの、０度干渉信号と１８０度干渉信号との差分信号（０度干渉信号−１８０度干渉信号）、及び９０度干渉信号及び２７０度干渉信号と差分信号（９０度干渉信号−２７０度干渉信号）を生成する。こうすることにより、干渉信号に含まれるＤＣ成分を除去するとともに信号の振幅を２倍にして、光量変動による誤差などを除去する。また、９０度位相がずれたこれら位相信号（０度干渉信号−１８０度干渉信号）と（９０度干渉信号−２７０度干渉信号）を用いることで、分周カウントと方向判別が可能となる。
カウンタ部８は、これら位相信号（０度干渉信号−１８０度干渉信号）と（９０度干渉信号−２７０度干渉信号）に基づいて、計算部９において測長値に変換するためのカウント数を求める。
図７は、第２軸方向について距離測定を行う際の光学干渉ユニット１の動作説明図である。第１軸方向について測定を行う場合を示す図６の構成に対して、移動機構４２及び４４によって、参照用反射ユニット４１及び４３がそれぞれ移動されており、第１参照用反射ユニット４３が第２軸ビームＬ２の光路上からはずされ、代わりに第２参照用反射ユニット４１は第１軸ビームＬ１の光路上に位置付けられている。
偏波保持ファイバ５から出射したレーザ光は、コリメータレンズ２１によって第１軸方向に進行する平行ビームにされる。
そしてこのレーザビームは第１偏光ビームスプリッタ２２により分光され、その一方は入射方向と直角方向である第２軸方向に反射してＳ偏光成分の第２軸ビームＬ２となり、他方は入射方向に進行するＰ偏光成分のビームＬｉとなる。
その後、分光されたビームＬｉは１／２波長板２３により偏光軸が４５度回転される。ビームＬｉは第２偏光ビームスプリッタ２４により更に分光され、第２偏光ビームスプリッタ２４を透過して第１軸方向に進行するＳ波成分の第１軸ビームＬ１と、第２偏光ビームスプリッタ２４で反射して第３軸方向に進行するＰ波成分の第３軸ビームＬ３となる。
ここで、第１軸ビームＬ１は、その光軸上に位置付けられた第２の参照用反射ユニット４１によって反射され、一定間隔（例えば１０ｍｍ）ずれて戻る。
一方で第３軸ビームＬ３は、ウェッジプリズム２６を透過して常時出射光となる。
第２の参照用反射ユニット４１で反射して戻った第１軸ビームＬ１の反射ビームは、再び第２偏光ビームスプリッタ２４を透過し、１／２波長板５０により偏光軸が９０度回転させられる。この結果、第１偏光ビームスプリッタ２２を透過して、今度は参照ビームとしてレシーバ部３０に入射する。
一方で第１偏光ビームスプリッタ２２で分光及び反射された第２軸ビームＬ２は、移動機構４４によってビームＬ２の光路から外れた第１参照用反射ユニット４３には当らずに、ウェッジプリズム２５を透過して光学干渉ユニット１から出射し、測定対象物に取り付けられた測定反射ユニット１７２によって一定間隔（例えば１０ｍｍ）ずれて戻り、第１偏光ビームスプリッタ２２により反射する。そして測定ビームとしてレシーバ部３０に入射する。
そして、レシーバ部３０は、図５及び図６を参照して説明した第１軸方向に関する測定の場合と同様にして、これら測定ビームと参照ビームとの間の干渉光の４相信号を生成して、ライトガイド５に出射する。
図８は、第３軸方向について距離測定を行う際の光学干渉ユニット１の動作説明図である。第１軸方向について測定を行う場合を示す図６の構成に対して、移動機構４２によって第２参照用反射ユニット４１が移動されており、第２参照用反射ユニット４１及び第１参照用反射ユニット４３は、それぞれ第１軸ビームＬ１及び第２軸ビームＬ２の光路上に位置付けられている。
また、移動機構５１によって１／２波長板５０の位置が移動させられている。この結果、１／２波長板５０は、第２偏光ビームスプリッタ２４を透過してビームＬｉと反対方向に進行する第１軸ビームＬ１の反射ビーム、及び第２偏光ビームスプリッタ２４で反射してビームＬｉと反対方向に進行する第３軸ビームＬ３の反射ビームから外れている。
偏波保持ファイバ５から出射したレーザ光は、コリメータレンズ２１によって第１軸方向に進行する平行ビームにされる。
そしてこのレーザビームは第１偏光ビームスプリッタ２２により分光され、その一方は入射方向と直角方向である第２軸方向に反射してＳ偏光成分の第２軸ビームＬ２となり、他方は入射方向に進行するＰ偏光成分のビームＬｉとなる。
その後、分光されたビームＬｉは１／２波長板２３により偏光軸が４５度回転される。
ビームＬｉは第２偏光ビームスプリッタ２４により更に分光され、第２偏光ビームスプリッタ２４を透過して第１軸方向に進行するＳ波成分の第１軸ビームＬ１と、第２偏光ビームスプリッタ２４で反射して第３軸方向に進行するＰ波成分の第３軸ビームＬ３となる。そして、第１軸ビームＬ１は、その光軸上に位置付けられた第２の参照用反射ユニット４１によって反射され一定間隔（例えば１０ｍｍ）ずれて戻る。
第２の参照用反射ユニット４１で反射して戻った第１軸ビームＬ１の反射ビームは、再び第２偏光ビームスプリッタ２４を透過する。その後、第１軸ビームＬ１の反射ビームは、１／２波長板５０を通らずにＳ偏光のまま第１偏光ビームスプリッタ２４を入射して反射され、レシーバ部３０には入射しない。
一方で、第２偏光ビームスプリッタ２４により反射された第３軸ビームＬ３は、ウェッジプリズム２６を透過して測定ビームとなる。そして第３軸を測定するために配置した測定反射ユニット１７３で反射して、再び第２偏光ビームスプリッタ２４で反射する。
ここで、第３軸ビームＬ３は１／２波長板５０を通らずにそのまま第１偏光ビームスプリッタ２２に入射するが、第３軸ビームＬ３はＰ偏光であるので第１偏光ビームスプリッタ２２を透過し、測定ビームとしてレシーバ部３０に入射する。
また、第１偏光ビームスプリッタ２２で分光及び反射された第２軸ビームＬ２は、第１の参照用反射ユニット４３で反射されて一定間隔（例えば１０ｍｍ）ずれて戻り、第１偏光ビームスプリッタ２２により反射して、参照ビームとしてレシーバ部３０に入射する。
そして、レシーバ部３０は、図５及び図６を参照して説明した第１軸方向に関する測定の場合と同様にして、これら測定ビームと参照ビームとの間の干渉光の４相信号を生成して、ライトガイド５に出射する。
このように、本発明の実施例による光学干渉ユニット１は、１軸のビーム（この場合第３軸ビームＬ３）を常時出射させるために、互いに干渉させる測定ビームと参照ビームとを１つのレーザビームから生成する第１偏光ビームスプリッタ２２によって分光させたビームの一方（ビームＬｉ）を、さらに２本のビーム（第１軸ビームＬ１と第３軸ビームＬ３）に分光する第２偏光ビームスプリッタ２４を設け、その一本を常時出射光としている。
このとき、第２偏光ビームスプリッタ２４で分光させた２本のビーム（第１軸ビームＬ１と第３軸ビームＬ３）が互いに干渉することがないように、これら２本のビームの反射ビームのうちの一方だけを、第１偏光ビームスプリッタ２２で分光させた他方のビーム（第２軸ビームＬ２）の反射ビームと干渉させるべきビームとして選択するビーム選択部５０及び５１を備えている。
以下、図９〜図１３を参照して、光学干渉ユニット１の３軸の直交性調整の方法を説明する。図９はウェッジプリズム２５、２６による３軸の直下性調整を説明する図である。図示するように、第２軸ビームＬ２は２枚のウェッジプリズム２５により、第３軸ビームＬ３は２枚のウェッジプリズム２６で調整される。これらウェッジプリズム２５、２６は、ウェッジ角に応じてそれぞれの２枚のウェッジプリズムを調整することにより、図で示される円錐内の任意の方向にビームを傾けることが出来る。
図１０は、第１軸ビームＬ１と第３軸ビームＬ３の直角度調整を説明する図である。
まず、平面ミラー７２が立設された調整台７０の上に、平面ミラー７２の方向に第１軸方向を向けて光学干渉ユニット１を載置する。そして、光学干渉ユニット１と平面ミラー７２との間に設けられたホール７１を通過するように第１軸ビームＬ１を出射させ、ホール７１を通してそのビーム径を細くしたビームを平面ミラー７２で反射させる。反射したビームは再びホール７１に戻る。
このとき戻ったビームの位置がホール７１の中心の穴の位置になる様に平面ミラー７２の２方向傾斜台７３を調整する。なお、ホール７１によりビーム径を細くするのは、戻り位置の確認が精度良く行える様にするためである。
次に傾斜台７６によって角度を調整されて支持されたペンタプリズム７４に、常時出射光である第３軸ビームＬ３を入射させて、その進行方向を精度良く９０度だけ曲げて、第１軸ビームＬ１とほぼ並行にする。
さらにペンタプリズム７４と平面ミラー７２との間に設けられたホール７５を通過させてビーム径を細め、平面ミラー７２で反射させて再びホール７５に戻す。そして戻ったビームの位置がホール７５の中心の穴の位置になる様に２枚のウェッジプリズム２６を調整する。
このようにして第１軸ビームＬ１と第３軸ビームＬ３の直角度調整を行うが、ここで第１軸ビームＬ１が出射していても同時に第３軸ビームＬ３も出射しているので、ホール７１に戻った第１軸ビームＬ１の位置調整とホール７５に戻った第３軸ビームＬ３の位置調整とを同時に行うことができ、これらを交互に片方ずつ行う場合に比べて容易に２軸の直角度調整を行うことが可能である。
図１１は、第２軸ビームＬ２と第３軸ビームＬ３の直角度調整を説明する図である。
まず、調整台７０の上に、平面ミラー７２の方向に第２軸方向を向けて光学干渉ユニット１を載置する。
そして、ペンタプリズム７４に、常時出射光である第３軸ビームＬ３を入射させて、その進行方向を精度良く９０度だけ曲げて、第２軸ビームＬ２とほぼ並行にする。さらにホール７５を通過させてビーム径を細め平面ミラー７２で反射させて再びホール７５に戻す。そして戻った光の位置がホール７５の中心の穴の位置になる様に、平面ミラー７２の２方向傾斜台７３を調整する。
次に、ホール７１を通過するように第２軸ビームＬ２を出射させ、ホール７１を通してそのビーム径を細くしたビームを平面ミラー７２で反射させる。反射したビームは再びホール７１に戻る。そして戻ったビームの位置がホール７１の中心の穴の位置になる様に２枚のウェッジプリズム２５を調整する。
図１２及び図１３は、第１軸ビームＬ１と第２軸ビームＬ２の直角度調整を説明する図である。図示するように、光学干渉ユニット１を、第１軸方向を平面ミラー７２の方向に向けて調整台７０の上に載置する。
まず図１２に示すように、出射ビームを第１軸ビームＬ１にして、ビームＬ１をホール７１を通過させてそのビーム径を細めて、平面ミラー７２で反射させて再びホール７１に戻す。そして戻った光の位置がホール７１の中心の穴の位置になる様に、平面ミラー７２の２方向傾斜台７３を調整する。
次に図１３に示すように、出射ビームを第２軸ビームＬ２に切り替えて、ビームＬ２をペンタプリズム７７に入射させてその向きを精度良く９０度曲げて、第１軸ビームＬ１とほぼ並行にする。さらにホール７８を通過させてビーム径を細め平面ミラー７２で反射させて再びホール７８に戻す。そして戻った光の位置がホール７８の中心の穴の位置になる様に、ウェッジプリズム２５を調整する。
このとき、第１軸ビームＬ１及び第２軸ビームＬ２は常時出射光ではないので、２方向傾斜台７３の調整と、ウェッジプリズム２５の調整を交互に行うときは、第１軸ビームＬ１と第２軸ビームＬ２の間で出射ビームを切り替えて調整を行う。
図１４及び図１５Ａ〜図１５Ｃは、図４に示すビーム選択部の代替実施例である。
図４に示す、光学干渉ユニット１では、ビーム選択部５０及び５１として、反射ビームの偏光方向を９０度回転させる１／２波長板５０と、この１／２波長板５０を反射ビームの光路上の位置と光路を遮断しない位置との間で移動可能な移動機構５１からなる構成を採用した。しかし、ビーム選択部の構成はこれに限定されず、例えば図１４及び図１５Ａ〜図１５Ｃに示すような様々な構成によって実現することが可能である。
例えば、図１４に示す構成では、ビーム選択部は、印加電圧に応じて通過するレーザビームの偏光方向を９０度回転させるか否かの切換が可能な、液晶光学素子のような電気光学素子５２により実現される。
また、図１５に示す構成では、ビームスプリッタ２２を無偏光ビームスプリッタとして、またビームスプリッタ２４を偏光ビームスプリッタとして構成し、ビーム選択部は、ビームスプリッタ２４からビームＬｉと逆方向に出射した第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームの光路上に、設けられる偏光板として構成される。この偏光板の偏光方向を９０度変えることによって、ビーム選択部は、第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのいずれか一方のみを透過させてビームスプリッタ２２に入射させる。
このとき、第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのどちらを無偏光ビームスプリッタ２２に入射させるかに応じて、入射させる反射ビームの偏光面の方向と９０度異なる偏光方向の偏光面を有するように、ビームスプリッタ２２に反射された第２軸ビームＬ２を偏光させる偏光板を設けてよい。
すなわち、第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのうちいずれかと、測定反射ユニット１７２や第１参照用反射ユニット４３で反射された第２軸ビームＬ２の反射ビームとを無偏光ビームスプリッタ２２で合成ビームＬｍに合成したときに、この合成ビームＬｍに含まれる第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのうちいずれかに係る成分の偏光面と、合成ビームＬｍに含まれる第２軸ビームＬ２の反射ビームに係る成分の偏光面とが、９０度異なる角度となるように、第２軸ビームＬ２を偏光させる偏光板を設けてよい。
そして第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのどちらをビームスプリッタ２２に入射させるかに応じて、第２軸ビームＬ２を偏光させる偏光方向を切り替える。
このため、図１５Ａに示す構成では、ビーム選択部として、偏光方向が９０度異なる２つの偏光板６０及び６１と、偏光ビームスプリッタ２４から出射する第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームの光路上に、これら偏光板６０及び６１を交互に移動させる移動機構６２とを備える。
これに応じて、偏光方向が９０度異なる２つの偏光板６３及び６４と、これら偏光板６４及び６５を移動させる移動機構６５とを備える。移動機構６５は、偏光板６３及び６４のうち、第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのどちらを無偏光ビームスプリッタ２２に入射させるかに応じて、入射させる反射ビームの偏光方向と９０度異なる偏光方向に第２軸ビームＬ２を偏光する偏光板を、第２軸ビームＬ２の光路上に移動させる。
さらに、図１５Ｂに示す構成では、ビーム選択部は、偏光ビームスプリッタ２４から出射する第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームの光路上に設けられる回転可能な偏光板６６として実現される。偏光板６６は光路を回転軸として９０度回転することによりその偏光方向を変えることが可能である。これに対応して、第２軸ビームＬ２の光路上には、光路を回転軸として９０度回転することが可能な偏光板９７を、設けてもよい。偏光板９７は、第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのどちらを無偏光ビームスプリッタ２２に入射させるかに応じて、入射させる反射ビームの偏光方向と９０度異なる偏光方向に第２軸ビームＬ２を偏光する。
また、図１５Ｃに示す構成では、偏光ビームスプリッタ２４から出射する第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームの光路上に設けられ、印加電圧に応じて偏光方向の切換が可能な液晶光電素子のような電気光学素子６８として実現される。これに対応して、印加電圧に応じて偏光方向の切換が可能な液晶光電素子のような電気光学素子６９を、第２軸ビームＬ２の光路上に設けてもよい。電気光学素子６９は、第１軸ビームＬ１の反射ビーム及び第３軸ビームＬ３の反射ビームのどちらを無偏光ビームスプリッタ２２に入射させるかに応じて、入射させる反射ビームの偏光方向と９０度異なる偏光方向に第２軸ビームＬ２を偏光する。
本発明によって、直交３軸方向の直交調整を容易に行うことが可能なレーザ干渉器を提供される。
本発明は、２つに分割したレーザ光の一方を測定物体に取り付けられる反射鏡（コーナーキューブ）で反射させ、もう一方を固定の参照用コーナーキューブで反射させて戻ってきたレーザ光と干渉させ、測定物体との相対移動量に伴い変化する干渉縞の本数を計数して相対移動距離を測定するレーザ測長器に利用可能であり。特に数値制御（ＮＣ）工作機械において、ＩＳＯ２３０−２やＪＩＳ−Ｂ−６２０１−１９９０等に規定されている各移動軸方向の移動量誤差を測定するレーザ測長器に利用可能である。
以上、本発明の好適な実施態様について詳述したが、当業者が種々の修正及び変更をなし得ること、並びに、特許請求の範囲は本発明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変更を包含することは、本発明の範囲に含まれることは当業者に理解されるべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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