(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを発生するレーザー管を有するレーザー装置と、
その入力端で前記レーザー管からのレーザービームを受け、前記レーザー管の外にあるキャビティと、
このキャビティの出力面に装着される端部をそれぞれ有する２本の光ファイバケーブルと、
前記キャビティに配置されて前記レーザービームを受ける光学系と
を具え、この光学系は、前記レーザービームから２つのビーム部を生じさせる複屈折プリズムと、この複屈折プリズムから前記２つのビーム部を前記２本の光ファイバケーブルの端部にそれぞれ導く２つのビームステアリングプリズムとを有することを特徴とする光ビーム発生案内装置。
【請求項２】
前記ビームステアリングプリズムは、前記複屈折プリズムと同じ材料から作られ、それによって前記複屈折プリズムを通過する前記２つのビーム部の角度の温度変化に起因したあらゆる偏向が前記２つのビームステアリングプリズムによってそれぞれ補償されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記レーザー管は、２つの直交する偏波状態を持つ前記レーザービームを生じさせ、前記レーザービームのそれぞれは２つの偏波状態の一方に偏光させる前記複屈折プリズムにより生じさせられ、前記ビーム部が導かれる前記２本の光ファイバケーブルは、偏波保持ファイバから作られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記２つのビームステアリングプリズムの入射端面にてそれぞれ反射する前記ビーム部の一部を検出するための２つの光検出器をさらに具え、これら２つの光検出器にて検出された出力が前記レーザー装置を安定化させるための情報として用いられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光ビーム発生案内装置に関し、特に物体の変位を測定するため、例えばレーザー干渉計にて使用可能であるレーザー装置および検知ヘッドに関する。
【０００２】
変位を測定するためにレーザー干渉装置を使用することは周知である。通常、レーザービームは２つの部分に分割され、その一方が固定参照光路に沿って導かれ、他方が変位を測定されるべき物体に向けて導かれる。固定参照光路および物体からの反射ビームは、測定される物体の変位に伴って瞬間強度が変化する干渉ビームを生ずるように再結合される。干渉ビームの強度の周期的な変化を監視することにより、ある参照位置、すなわち基準点に対する物体の変位に応じた逐次的な値を発生させることができる。
【０００３】
ＸＹステージとして知られた相互に直交する２方向に移動可能なステージの変位を決定するため、このような装置を使用することが知られている。
【０００４】
このような装置においては、２つのレーザー干渉計をステージの２つの直交方向の変位を測定するのに使用できるようにするため、２本のレーザービームが必要とされる。
【０００５】
Hewlett-Packard Corporation によって広く市場に出されている１つの装置において、ビームの異なる部分を装置の異なる部分に導くため、１つ以上のビームスプリッタをレーザービームの光路に配置することにより、レーザー装置による単一のビーム出力から２本のレーザービームを取り出すことが知られている。
【０００６】
本発明の目的は、２つのビームを直接的に出力するレーザー装置を提供することである。
【０００７】
しかしながら、レーザービームを発振するレーザー管と、このレーザー管の外にあってレーザー管からのビームをその入力端で受けるキャビティと、このキャビティに配されてレーザービームを受ける光学系とを具え、キャビティの出力面に装着される端部をそれぞれ有する２本の光ファイバケーブルが装備され、前記光学系がレーザービームから光ファイバケーブルの前記端部に導かれる２つのビーム部を生じさせる複屈折プリズムを具えたレーザー装置を提供することが米国特許明細書第５,６４８,８４８号から知られている。
【０００８】
このようなレーザー装置に関係する１つの問題は、光学系を通過するレーザービームの偏角が温度変化に伴って変わってしまう傾向があることである。
【０００９】
本発明の新奇な形態によると、キャビティ内の光学系は、複屈折プリズムから光ファイバケーブルの端部にビーム部を案内する２つの追加ビームステアリングプリズムを具えている。
【００１０】
この手段に関し、レーザーキャビティの温度変化によってもたらされ、複屈折プリズムによってもたらされるビーム部の角度のどのような偏向でも、同じ温度変化にさらされるビームステアリングプリズムによって除去することができる。３つのプリズムは、同一であることが好ましい。
【００１１】
レーザー装置は、キャビティが装着される温度制御レーザー管を有する気体レーザーであることが好ましい。
【００１２】
発明の好ましい一実施例において、レーザー管は直交する２つの偏波状態を有するレーザービームを作り出し、複屈折プリズムはレーザービームをその２つの偏波状態に分割し、２つのビーム部を受ける光ファイバケーブルは偏波保持ファイバから作られる。
【００１３】
さて、例示の方法によって本発明の一実施例が添付図面を参照して記述されよう。
【００１４】
ところで図１を参照すると、この実施例におけるレーザー干渉測定装置は、直交する偏波状態の異なる周波数を持った一対のレーザービームを発振するレーザーヘッド１０を有する。これらレーザービームは、偏波保持光ファイバ１２，１４に沿って遠隔の検知ヘッド２０，２２にそれぞれ導かれる。遠隔の検知ヘッド２０，２２は、物体５０に取り付けられた平面鏡６０，６２に入射するそれぞれの対の出力ビーム４０，４２によって規定された相互に直交する方向に関する物体５０の変位を効率的に測定する。それぞれの検知ヘッドは、電気的出力を発生し、これからｘおよびｙ方向における物体５０の変位を示す逐次的な数を決定することができる。
【００１５】
ところで図２ａおよび図２ｂを参照すると、外部キャビティレーザー装置が示されており、これは外部キャビティ１１２にレーザー光ビーム１１０を発振するレーザー管１００を有する。キャビティ１１２に入ると、ビーム１１０は複屈折プリズム１２０に入射し、このプリズムはビーム１１０を異なった偏波状態の構成ビーム１１０Ａおよび１１０Ｂに分割して偏波保持光ファイバ１２，１４に導く。温度変化は、複屈折プリズム１２０から発生する２つの構成ビーム１１０Ａおよび１１０Ｂの角度に悪影響を与えよう。ビームがファイバ１２および１４に入射しなければならない角度に対する厳しい公差のため、温度変化の影響は補償される必要がある。
【００１６】
要求される補償を達成する一つの方法は、レーザーキャビティの温度を制御することであろうが、本発明は新奇な方法にてこの問題を処理する。
【００１７】
温度補償は、複屈折プリズムからファイバの端部に向けてビームを導くように配置される２つの追加のビームステアリングプリズム１３０Ａおよび１３０Ｂの使用による本発明の一形態に従って達成される。プリズム１３０Ａおよび１３０Ｂは、温度変化のために複屈折プリズム１２０によって発生するそれと等しく且つ反対方向にビーム光路の偏向をもたらす。
【００１８】
ステアリングプリズム１３０を通ってそれぞれ伝達されるビーム１１０Ａおよび１１０Ｂの一部１１０Ａ′および１１０Ｂ′は、この実施例において、レーザー管からビーム１１０とほぼ平行な方向に出現し、その後、好ましくは無反射コーティングがなされたレンズ（図示されず）を介して偏波保持光ファイバ１２，１４に導かれる。
【００１９】
ファイバ１２,１４の基端は、板材１４４の一部に順に取り付けられたコネクタ１４２に保持されており、その姿勢は、独立してファイバの軸線がそれぞれの光ビームの偏波軸線と正確に一直線状に並べられることを確実にするため、ハウジング内にて独立に調節可能である。ファイバ１２,１４の端面は、切断され、研磨され、且つ／または無反射コーティングで覆われており、これはフレネル反射または拡散光がレーザー装置の周波数安定度を不安定にするのを阻止する。
【００２０】
この実施例において、プリズム１３０Ａおよび１３０Ｂの入射端面は、それぞれのビーム１１０ＡおよびＢのわずかな部分がこれらから個々の光検出器１３２Ａおよび１３２Ｂにそれぞれ反射されるように、少しだけ反射する。光検出器１３２Ａ，１３２Ｂの出力は、それ自体周知の方法、例えばレーザー管を囲むヒータコイル（図示されず）に電圧を印加することにより、レーザー管が要求精度まで安定した周波数となることを可能とする情報をもたらすために使用される。レーザービームの周波数の安定化のために必要とされるビームの一部をプリズムの他端面から取得できることは明らかである。
【００２１】
あるいは、レーザー周波数の安定化は、レーザー管の後端面から発振される光を用いてなされることができる。
【００２２】
さて、図３および図４を参照すると、検知ヘッド２０が示されており、これは、検知ヘッド（図５ａおよび５ｂを参照のこと）に運動学的に取り付けられたコネクタ胴部２００によって、光ファイバケーブル１２の一方の反対端に接続されている。ファイバ１２の出力端から発せられた光は、レンズ２０１によって平行にされ、次に立方体の偏光ビームスプリッタ２０２に入射する。光の偏波軸線は、ビームスプリッタ２０２の偏波軸線に関して４５°に向きを調整され、光の半分がビームスプリッタ２０２を通って参照再帰反射器２０４（この実施例においては、コーナーキューブ再帰反射器であるが、平面鏡であってもよい）に伝達されるようになっている。参照再帰反射器２０４の位置は、ビームスプリッタ２０２に対して固定されており、従って参照部門を形成する。残った半分の光は、４分の１波長板２０６およびステアリングプリズム２０８を通ってビームスプリッタ２０２（図４を参照のこと）によりその位置が測定される物体に連結された平面鏡６０へと反射される。この鏡６０は、その光路に沿ってほぼ戻る光を反射する。
【００２３】
４分の１波長板２０６を２度通過すると、ここでビームの偏波が９０°回転され、これがビームスプリッタ２０２を通って伝達され、そしてさらなる再帰反射器２１２へと通るようなっている。再帰反射器２１２は、ビームスプリッタ２０２，４分の１波長板２０６，およびビームステアリングプリズム２０８を通って平面鏡６０へともう１度光を反射し、この平面鏡はもう１度ビームをビームスプリッタに戻すように反射する。２度に亙り、４分の１波長板２０６を再度通過すると、ここで平面鏡６０にて反射されるビームは、ビームスプリッタ２０２にて反射され、干渉ビーム２２０を形成するように再帰反射器２０４からの反射ビームと合体される。
【００２４】
本発明の他の独立した新奇な形態によると、干渉ビーム２２０は、平面鏡６０から反射したビームと参照再帰反射器２０４から反射したビームとを、これらの異なる偏波の結果として、異なる大きさに屈折させる複屈折くさび状プリズム２１４を通過する。次に、これらのビームは両方共、その軸線が干渉ビーム２２０を形成するビームのそれぞれの偏波方向に対して４５°で延在する偏光板２１６を通過し、それによってこれらの偏波状態を交わらせ、本当の干渉を生じさせる。ビームが平行ではないので、空間縞パターンが結果として発生し、これは検出器アレイ２１８に入射する。
【００２５】
この検出器は、大筋において既に発行された我々の米国特許出願５,３０２,８２０に開示された形式のものであってよく、ビームスプリッタ２０２から離れ、そして向かう平面鏡６０の作動中に、周期的に変調する一連の位相偏移電気信号を発生させる。このような検出器は、空間縞パターンと対応した間隔を置いて配置された複数の細長い感光性要素を有する。この検出器要素の間隔に対して縞パターンの幅を精密に調整するため、検出器アレイは縞パターンに応じて角移動を得るために取り付けられることができ、あるいは複屈折プリズムは検出器に応じて回転を得るために取り付けられることができる。
【００２６】
レーザー装置から異なった周波数のビームが認識できるので、縞ピッチが異なったとしても、それぞれのビームによって得られた干渉信号から後方に伝達される読み出しを一般的な度量衡ユニットにて変換することができる。
【００２７】
他の実施例において、ビームスプリッタ２０に入射する実質的な円偏光を発生させるため、ファイバ１２の端部とビームスプリッタ２０２との間に１／４波長板を有することができる。
【００２８】
干渉計の参照および測定部門は、温度変化に伴う一様な寸法変化を保証するため、好ましくは場所に関して温度バランスが取られており、縞数が検知ヘッドの温度に依存しないようになっている。
【００２９】
他の形式の検出器が使用されてもよい。例えば本実施例を変更したものにおいて、（我々の米国特許第４,９９６,４１６号に記述されるような）遠隔の検出器ユニットを使用することができる。このようなシステムの実施例において、参照および測定ビームは、直線偏光出力ビームを生じさせるように、４５°に調整された４分の１波長板を通過し、その偏光角は測定および参照部門のビームの間の位相差に依存する。この干渉ビームは、少なくとも２つのさらなるビームに分割され、次に相互に４５°の関係に配置された偏光要素に通され、次の出力ビームの光強度が直角位相の関係にあるようになっている。次に、これらのビームは、多モードファイバに別々に合焦され、これらの正弦および余弦光信号を電気信号に変換するため、光検出器が設置されたレーザーヘッドへとファイバに沿って伝達され、これらを場所に関して処理するか、または例えば工作機械の制御装置に伝達することができる。さらに変更したものにおいて、光信号が制御装置によって識別可能な電気信号に変換される工作機械の制御装置に光ファイバを直接導くことができる。
【００３０】
上述した実施例をさらに変更した他のものにおいて、ヘッドの光源をもたらすように、遠隔のレーザー装置を有すると共に光ファイバケーブルによりこれを検知ヘッドに接続する代わりに、レーザー装置を検知ヘッドに直接取り付けることができる。
【００３１】
調整の容易性を確実にするため、本発明の他の独立した新奇な形態において、ステアリングプリズム２０８は回転可能なブラケット２４０に取り付けられ、図６に描かれた方法でその姿勢をハウジングに関して調整することができる。
【００３２】
ところで、図６を同様に参照すると、ビームステアリングプリズム２０８は、一般に接着剤によってブラケット２４０内に強固に保持される。ブラケット２４０はぼぼ円形であり、外周に延在する一対のフランジ２５０を有し、このフランジは外周に延在するスロット２６０をもたらし、このスロットは遠隔の検知ヘッドに関するハウジングの開口近傍に設けられたジョー２７０によって連結されている。一対のボルト２７４が外側フランジ２５０を通って突出し、ハウジングのジョー２７０を押圧している。ブラケット２４０および軸線Ｘ（図６）回りのプリズム２０８の回転は、光ビームがほぼ円錐光路に沿って偏向することをもたらす。本実施例において、ブラケット２４０は機械的ストッパ（図示されず）に基づく制限角度範囲に亙って回転するのを許され、Ｘ軸線回りの光ビームのピッチが変えられるようになっている。ブラケットの回転がボルト２７４を緩めることによって可能にされる。
【００３３】
ブラケット２４０およびプリズム２０８の比較的粗い回転から比較的精密なピッチの調整を可能にするため、プリズム２０８は、その可能とされる調整範囲の中間にある場合にその対称面がぼぼ水平に延在する、すなわちＸ軸線と平行であるように調整される。
【００３４】
振れ、すなわちＸ軸線に対して直交する軸線Ｚ回りのビームの変位の調整は、遠隔の検知ヘッドの対応する本体の回転によって行われる。これは、これが用いられるべき台座およびハウジングと検知ヘッドを固定するボルト２８０（図３参照）との間の充分な間隙に基づいて可能とされる。
【００３５】
検知ヘッド２０における光ファイバケーブル１２の正確な再調整を保証するため、コネクタ胴部２００はヘッド（図５ａおよび図５ｂ）に運動学的に設置される。これは、この実施例において、胴部の座部に関する円筒面のヘッド固定部分に対して直交する平坦面３００，３０２をもたらすことによって達成される。ボール３０４は、ばねまたはねじ（図示されず）によって胴部の反対面の円錐状凹部に付勢され、従って胴部の平行移動または回転を阻止している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の異なる形態によるレーザー装置および遠隔の検知ヘッドを組み込んだ干渉測定装置の斜視図である。
【図２ａ】  図１のレーザー装置の斜視図である。
【図２ｂ】  図１のレーザー装置の平面図である。
【図３】  図１の遠隔の検知ヘッドに関する斜視図であり、内部の光学部品を示している。
【図４】  図３の検知ヘッドの主要光学部品に関する図である。
【図５ａ】  図４の検知ヘッドに関する断面図であり、ケーブルアタッチメントの細部を示している。
【図５ｂ】  図４の検知ヘッドに関する平面図であり、ケーブルアタッチメントの細部を示している。
【図６】  図３のビームステアリングプリズムに関する詳細図を示している。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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