JP2732849B2 - 干渉測長器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光源から放出された一部時間的コヒーレ
ンスのある電磁波を光ビームスプリッタにより基準通路
に沿って通過する基準波と試験体に集束する測定波とに
分離し、試験体で反射した光ビームを前記基準波と干渉
させて絶対距離を測定する干渉測長器に関する。

［従来の技術］ 変調光束を出射する発光器と、目標で反射される光束
を受光し、放出された光束と比較する、例えば発光器の
位置にある受光器を有する光電測長装置が知られてい
る。これに応じた両方の信号の間の比較操作結果は、発
光器と反射した目標の間の距離を算出するために使用さ
れる。この種の方法とその装置は、一般に走行時間測定
や発光信号と受光信号の間の位相較原理に基づいてい
る。このような方法と装置は、種々の誤差の影響、特に
位相誤差を排除するため、近年種々の改良が成されてい
るが、測定精度は大体十分の数ミリに制限されている。

機械部品や構造部品を正確に調べるため、例えば産業
用の測定装置を使用するなら、測定精度をμｍの範囲に
する必要がある。この範囲では基本的に干渉比較計が適
切であるが、実際に使用するには相当不利である。つま
り、光源に対して特に可干渉性を高くする要請があり、
これが高価な部品の原因となり、機械構造の高安定性と
それに伴う経費を必要とする。更に、干渉比較計は１周
波数系を使用する場合、比較測定ができるだけで、絶対
測定ができないかあるいは絶対測定に多数の異なる周波
数を必要とする。これ等の制約は、全体として測定装置
の組立部品や構造に対して、大量生産のコストが、例え
ば産業製造設備にそのような装置を採用することを妨げ
るほど高度な要求となることを意味する。

［発明の課題］ この発明の課題は、できる限り広い距離範囲に適し、
それにも係わらず測定精度がμｍの範囲にある測長器を
提供することにある。更に、できる限り市販されている
簡単な部品を利用でき、装置を低価格で製造でき、例え
ば製造設備中に大量に採用できるべきである。

［課題を解決する手段］ 上記の課題は、この発明により、 一部時間的コヒーレンスのある平均波長λの電磁波用
の光源1, 光波を測定波Ａと基準波Ｂに分離するズームスプリッ
タ2, 位置に敏感な検出器７および、 検出器７上の強度分布の最大値の位置を求める信号処
理装置10, を備え、 測定波Ａが目標４に入射し、この目標４から一部反射
して検出器７の法線に対して第一角度αで検出器７に入
射し、ビームスプリッタ２から検出器７まで測定距離R₁
を進み、 基準波Ｂが検出器７の法線に対して第二角度βで検出
器７に入射し、ビームスプリッタ２から検出器７まで測
定距離R₁とほぼ等しい基準距離R₂を進み、 検出器７上の広さが波長λの整数倍となる領域で測定
波Ａと基準波Ｂが重畳して干渉し、 測定波Ａと基準波Ｂに時間的コヒーレンスが一部あれ
ば、測定距離R₁と基準距離R₂の間の光路差が零で最大強
度の干渉縞を発生し、光路差が増大すると共に他の干渉
縞の強度が零に低下する強度を有することを利用する、 測長器によって解決されている。

この発明による他の有利な構成は、特許請求の範囲の
従属請求項に記載されている。

［効果と作用］ 上記の装置の重要な利点は、単純で低価格な部品を特
に効果的に使用でき、測定精度をμｍの範囲まで任意に
選択できる可能性にある。測定の演算評価は、電算機と
その評価プログラムを利用して自動的に行える。対象と
する目標は特に大きな反射率を有する必要はない。何故
なら、この系から得られるS/N比が今まで知られている
装置の値より相当大きいからである。測定処理が非常に
早く行われるので、測定結果はほぼ直接的で時間の遅れ
がない。

この発明は以下の知識を前提としている。つまり、ヤ
ングの二重間隔実験で生じる一定強度の干渉縞は、重な
った二つの光の可干渉距離が制限されると、二つの光の
光路差が零の時、最大強度の干渉縞を有し、光路差の増
加で強度が減少する干渉縞に変化する。これは光源の時
間的コヒーレンスに制限あることと同等である。

［実施例］ 以下、図面を参照し好適実施例に基づきこの発明をよ
り詳しく説明する。

第１図には干渉計をベースにした測長器が模式的に示
してある。平均波長λが可視領域または赤外領域の光を
発生する光源１が使用されている。この例では、一部時
間的コヒーレンスのあるビームを与える多重モードレー
ザーダイオードを使用する。この光源１から放出された
光はビームスプリッタ２中で測定波Ａと基準波Ｂに分離
される。測定波Ａは対物レンズ３により目標４の上に集
束し、この目標から光が反射され、光集束レンズ５に導
入される。次いで、この戻りの光は回折格子６により、
その後ろにあるｐ−ｉ−ｎダイオードアレー７上に入射
する。

ダイオードアレー７中ではアレー表面上の像の光電走
査が行われる。この好適実施例では、基準波Ｂは調節可
能な多重反射器８と、次に鏡９を通過し、この鏡から同
じように回折格子６と光ダイオードアレー７に達する。
このダイオードアレー中では基準波Ｂが目標４から反射
した測定波Ａ′と重なる。鏡９は振動ミラーで形成さ
れ、この例では振動の振幅は１μｍの程度である。

多重反射体８としては、多重鏡装置あるいは他の適当
な中空共振器、例えばガラス繊維装置で代用されるもの
を使用できる。使用する部品は全て単純で、低価格の光
学部品である。

第２図は測定過程を理解するため第１図の装置の原理
を単純化して示す。第２図はこの装置の主要部品を示す
もので、光源1,ビームスプリッタ2,基準波Ｂの通過する
鏡９を伴う基準通路L₁.L₁′，および測定波Ａの通過す
る鏡として示す目標４を伴う測定通路L₂.L₂′から成
る。上部にある回折格子６を有するダイオードアレー７
は第２図ではスクリーンＳで示してある。Ｌを光源１と
ビームスプリッタ２の間の距離とすると、基準通路R₁は
距離の和Ｌ＋L₁＋L₁′となる。測定通路R₂はR₂＝Ｌ＋L₂
＋L₂′である。両方の波A,BがスクリーンＳ上で重なる
と、スクリーン表面上の点Ｘの電界は基準波と測定波の
二つの部分電界で形成される。得られる電界は光源１の
スペクトルと基準通路R₁や測定通路R₂の長さに依存す
る。

スクリーンＳ上の点Ｘでの光強度は二つの部分電界の
和の値の二乗平均に比例する。この場合、基準通路R₂と
測定通路R₁の光路差はスクリーンＳ上の位置Ｘに依存す
る。

こうして、干渉縞が生じる。スクリーンＳ上の個々の
干渉縞の間の間隔は使用する光源１の波長λと、基準波
Ｂと測定波ＡがスクリーンＳに入射する角度αとβに依
存する。干渉縞の間隔ｄはｄ＝λ／（sinα−sinβ）で
ある。ここでλは波長で、αとβはスクリーンの法線と
測定波Ａおよび基準波Ｂの伝播方向との間の角度であ
る。ｄの値はμｍの範囲内にある。

干渉光ＡとＢは一部時間的コヒーレンスのある波であ
るから、干渉縞の変調振幅は検出器７上で一定ではな
い。

この光学装置は、光源１が検出器７の上で分離される
ことがなく、基準波と測定波が平面波で表されるように
選択される。

偏光面が紙面に垂直であり、光源から放出される電磁
波の角周波数ωのスペクトル分布|g（ω）｜が平均波長
λに対応する角周波数ω_０の周りでほぼ対称であると言
う簡単な条件の下で、周知な数学的な考察により、検出
器７に生じる干渉縞の変調振幅またはコントラスが、 に比例することになる。ここで、ｃは光の速度である。
しかし、一般には上記条件は装置の機能にとって重要で
ない。

検出器７の位置に敏感な方向に一致するＸ軸に沿った
強度分布Ｉ（Ｘ）に対して上記条件の下で、 となる。ここでI_RとI_Mはそれぞれ基準波Ｂと測定波Ａの
強度成分である。

第３図は位置Ｘに依存するそのような強度分布Ｉ
（Ｘ）を例として示す。包絡線Ｇ（Ｘ）はこの場合に使
用される測定判定基準であり、この包絡線はR₁＝R₂とな
る点X₀の周りで対称に分布している。

第４図は第１図の測定装置のスクリーンＳ上に現れる
実際の像を示す。強度の縞の形の干渉図形と見なせ、包
絡線Ｇ（Ｘ）の最大値が最大コントラスの線条を示し、
この例ではその線条がX₀の中心にある。包絡線Ｇ（Ｘ）
の幅Ｗはω_０に比例し、使用する光源１の相対スペクト
ル幅に逆比例する。Ｗの代表的な値は十分の数ミリであ
る。

第２図の原理図中で目標４が移動すると、スクリーン
Ｓ上でコントラストの最大値も変位する。従って、スク
リーンＳ上の強度の線条のコントラスの最大値の位置Ｘ
から目標４の位置を推定できる。ここに第１図の装置に
よる測長原理がある。コントラストの最大値の位置の決
定はダイオードアレーから出力される信号をプログラム
制御された評価により自動的に行われる。

実際の干渉縞はこれを検出するのにμｍ領域の検出器
７の分解能を必要とし、μｍ領域の干渉縞の間隔ｄが周
期的に繰り返しているが、包絡線Ｇ（Ｘ）は十分の数ミ
リの幅Ｗで非常に簡単に検出できる。

検出器７上の位置検出を更に改良するには、以下の制
御処理が使用される。

この発明によれば検出器７の前に格子定数が干渉縞の
間隔ｄに等しい第１図の回折格子６を置き、更に鏡９を
周期的に振動させると、回折格子６の後ろ、即ちダイオ
ードアレー７上で包絡線Ｇ（Ｘ）に比例する強度変化が
生じる。この交番強度信号を検出器７で検出し、後続す
る信号処理装置10中で主にプログラム制御により評価す
る。

前に説明した装置では、目標が動くと、有効信号の帯
域幅が広くなり、これが検出感度の損失を与える。この
現象は、例えば第5A図に示すように基準波Ｂが周波数偏
移素子33,34により値Δｆほど周波数をシフトする二つ
の部分に分割されると排除できる。反射した測定波Ａも
同じように分割し、異なる二つの検出器31,32上で、上
に説明したように、これ等の分割波を重ねる。二つの検
出器31,32の信号を混合し、混合信号の値Δｆの周りの
狭い周波数範囲の成分のみ測定する。この成分の振幅は
包絡線Ｇ（Ｘ）の二乗に比例し、再び測長に使用でき
る。この検出原理には、目標が移動する時に必要な帯域
幅を係数ｋ・Ｗほど狭める利点がある。

基準波をＱ個の部分波成分に分割し、これ等の成分が
それぞれｆ（ｊ）とは等しくない種々の周波数ｆ（ｉ）
のずれを行い、再び混合信号を発生し、差周波数ｆ
（ｉ）−ｆ（ｊ）の周りの狭い周波数範囲の成分で測定
すると、この原理が更に改善される。

少なくとも一つのビームスプリッタで基準波Ｂや測定
波ＡをＮ個の部分波に分割し、個々の部分波に異なる周
波数を対応させることもできる。こうして、検出器上の
一点を観察すればｎがＭより小さいと、ｎ次の部分波が
光路長ｈ＋ｎ・ａを進み、ｎがＭより大きいかＭに等し
いと、光路長ｅ＋ｎ・ｂを進む。ここで、Ｍ＜Ｎで、例
えばMa＝（Ｎ−Ｍ）ｂであるように部分波が検出器上で
重なる。光路長ｈ＋ｎ・ａで現れる検出器上の干渉縞の
最大コントラストの位置から距離をａの整数倍で決定で
きる。光路長ｅ＋ｎ・ｂで現れる検出器上の干渉縞の最
大コントラストの位置から距離をｂの整数倍で決定でき
る。しかし、ａとｂを適当に選ぶと、上記両方の情報か
ら曖昧さを往々実用上取るに足らない程度に大幅に低減
できる。

第5B図は他の実施例を示すもので、ここでは基準波Ｂ
の通路に光路長や波長を可変する回折格子21が配置され
ている。この配置により検出器７で検出される光路差の
範囲を制限することなく、干渉縞の間の間隔ｄを増大で
きる。これには市販のダイオードアレー７で干渉縞を容
易に分離できると言う利点がある。特に目標の距離が時
間的に変化する場合には、パルス光源を使用すると効果
的である。

ダイオードアレー７の出力信号を自動的に評価するた
め、第６図の実施例の信号処理装置10には信号増幅器2
1,サンプルホールド回路22および後続するアナログ・デ
ジタル変換器26がある。この変換器26の出力は電算機23
に導入される。この電算機23はアナログ・デジタル変換
器26から得られた値を基準記憶器24に記憶されている値
と比較し、その結果を表示装置25上に示すか、これ等の
値を次に演算処理する。

種々の応用性を考慮して、しかも多くの試験に基づ
き、実際の例では、以下の有利な値を使用する。

検出器７のスクリーンの実効幅がＸ方向に計ってh_s＝
50mm,使用する光の波長が900nm,光源１のスペクトル幅
が5nmの場合、第３図の包絡線Ｇの幅ＷはＷ＝200μｍと
なった。10mの典型的な測長距離で、光源の輻射出力が2
00μW,測定周期Ｔ＝1ms,例えば反射率0.25で拡散散乱す
る目標の場合、S/N比＝120となった。この条件の下でＴ
＝２μｓの場合、分解能sigma＝0.1であった。Ｔ＝2ms
の時には、測定装置に何の変更もなくても分解能が干渉
測長の精度の範囲内にあった。

最後に述べた測定精度に関する柔軟性は装置を実際に
使用する場合に重要な利点となる。粗い測長や次に直ぐ
切り換えて最大精度の測長を測定装置に何んの変更や改
良もなしに短時間で行える。

【図面の簡単な説明】

第１図、この発明の実施例の模式配置図、 第２図、この発明の動作を説明する光学構造の原理図、 第３図、基準波Ｂと測定波Ａを重ね合わせた後の強度分
布の位置に依存する波形図、 第４図、第１図のダイオードアレーの表面上の強度分布
の線条パターン図、 第５図、光の周波数をシフトさせる構成の原理図（Ａ）
および他の実施例の原理図（Ｂ）， 第６図、検出器の信号に対する評価回路の例。 図中参照符号： １……光源 ２……ビームスプリッタ ３……対物レンズ ４……目標 ５……集束レンズ ６……回折格子 ７……ダイオードアレー（検出器） ８……多重反射体 ９……鏡 10……評価装置 21……信号増幅器 22……サンプルホールド回路 24……基準記憶器 25……表示器 26……アナログ・デジタル変換器 31,32……検出器アレー 33,34……周波数変位素子 Ａ……測定波 Ｂ……基準波 Ｌ……光源とビームスプリッタの間の距離 L₁,L₁′……基準通路の長さ L₂,L₂′……測定通路の長さ R₁……基準距離（＝Ｌ＋L₁＋L₁′） R₂……測定距離（＝Ｌ＋L₂＋L₂′） Ｓ……スクリーン Ｘ……スクリーン上の点の位置 α……基準波のスクリーンへの入射角度 β……参照光のスクリーンへの入射角度 ω……光ビームの角周波数 ｇ（ω）……光のスペクトル分布 Ｇ（Ｘ）……包絡線 ｄ……干渉縞の線条間隔

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一部時間的コヒーレンスのある平均波長
   （λ）の電磁波用の光源（１）， 光波を測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）に分離するビームス
   プリッタ（２）， 位置に敏感な検出器（７）および、 検出器（７）上の強度分布の最大値の位置を求める信号
   処理装置（10）， を備え、 測定波（Ａ）が目標（４）に入射し、この目標（４）か
   ら一部反射して検出器（７）の法線に対して第一角度
   （α）をなして検出器（７）に入射し、ビームスプリッ
   タ（２）から検出器（７）まで測定距離（R₁）を進み、 基準波（Ｂ）が検出器（７）の法線に対して第二角度
   （β）をなして検出器（７）に入射し、ビームスプリッ
   タ（２）から検出器（７）まで前記測定距離（R₁）とほ
   ぼ等しい基準距離（R₂）を進み、 検出器（７）上の広さが波長（λ）の整数倍となる領域
   で測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）が重なって干渉し、 測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）に時間的コヒーレンスが一
   部あれば、測定距離（R₁）と基準距離（R₂）の間の光路
   差が零で、最大強度の干渉縞を発生し、光路差が増大す
   ると共に他の干渉縞の強度が零に低下することを利用す
   る、 ことを特徴とする測長器。
2. 【請求項２】光源（１）は可視領域あるいは赤外領域の
   平均波長（λ）の光を発生することを特徴とする請求の
   範囲第１項に記載の測長器。
3. 【請求項３】パルス化された光源（１）が使用されてい
   ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の測長器。
4. 【請求項４】検出器（７）の前には検出器（７）上で干
   渉縞の間隔に少なくとも近似的に一致する格子定数の回
   折格子（６）が配置され、この回折格子と干渉縞の間の
   相対位置を時間的に可変する手段（９）が設けてあり、
   この手段により生じる時間的に変化するモワレパターン
   が検出器（７）上に投影されることを特徴とする請求の
   範囲第２項に記載の測長器。
5. 【請求項５】測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）の通路中にそ
   れぞれ測定距離（R₁）と基準距離（R₂）を可変する手段
   （８）が設けてあることを特徴とする請求の範囲第２項
   に記載の測長器。
6. 【請求項６】測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）の通路中に周
   波数偏移部材（33,34）が配置されていることを特徴と
   する請求の範囲第１項に記載の測長器。
7. 【請求項７】基準波（Ｂ）を二つの部分波に分割し、少
   なくとも一つの周波数偏移部材（33,34）により両方の
   部分波を測定波（Ａ）に対してずらし、目標（４）で反
   射した測定波（Ａ）も同じように二つの部分波に分割
   し、各一つの検出器（31,32）上でそれぞれ基準波
   （Ｂ）の各部分波に重ね、検出信号の種々の周波数成分
   を非線形部材により混合し、混合信号から二つの部分波
   の差周波数の周りの狭い周波数帯域内の成分を計測する
   ことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の測長器。
8. 【請求項８】測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）をそれぞれＱ
   個の部分波成分に分割して、１からＱの番号を付けたビ
   ームスプリッタを設け、ｉ＝１〜Ｑまでの全ての部分波
   成分に対して一つの周波数偏移部材を用いてｉ次の部分
   基準波へｉ次の部分測定波に対して周波数のずれｆ
   （ｉ）を与え、そのためｉがｊに等しくなければｆ
   （ｉ）がｆ（ｊ）と等しくなく、位置に敏感なＱ重の検
   出装置のｉ番目の検出セル上でｉ次の部分基準波とｉ次
   の部分測定波の信号が重なり、混合信号から差周波数ｆ
   （ｉ）−ｆ（ｊ）ほどの狭い周波数帯域の信号成分を計
   測することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の測長
   器。
9. 【請求項９】測定波（Ａ）と基準波（Ｂ）をそれぞれＮ
   個の部分波成分に分割する少なくとも一つのビームスプ
   リッタを設け、個々の部分波に異なった距離が付属し、
   検出器上の一点に注目してｎがＭより小さい場合、ｎ次
   の成分が距離ｈ＋ｎ・ａを通過し、ｎがＭより大きい場
   合、距離ｅ＋ｎ・ｂを通過するように、これ等の部分波
   が検出器の上で重なることを特徴とする請求の範囲第６
   項に記載の測長器。