JP3235738B2 - アブソリュート測長器 - Google Patents
アブソリュート測長器Info
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザの干渉を利用し
て被測定物までのアブソリュートな測長出力を得ること
のできるアブソリュート測長器に関する。
て被測定物までのアブソリュートな測長出力を得ること
のできるアブソリュート測長器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、干渉法によりアブソリュートな測
長出力を得るための一方法に、合成波長法による測長方
法がある。
長出力を得るための一方法に、合成波長法による測長方
法がある。
【0003】この方法を用いた測長器は、炭酸ガスレー
ザより波長のわずかに異なる任意の2つのレーザ光λ
1,λ2を交互発振させる。そして、2つのレーザ光λ
1,λ2を2光束干渉計に導き、干渉計の一方のアーム
の反射鏡を掃引した時の検出器の出力を信号処理して、
元の波長λ1,λ2よりはるかに長い合成波長信号を実
際に作り、その位相測定を行うことにより合成波長内で
アブソリュートな測長を行うものである。
ザより波長のわずかに異なる任意の2つのレーザ光λ
1,λ2を交互発振させる。そして、2つのレーザ光λ
1,λ2を2光束干渉計に導き、干渉計の一方のアーム
の反射鏡を掃引した時の検出器の出力を信号処理して、
元の波長λ1,λ2よりはるかに長い合成波長信号を実
際に作り、その位相測定を行うことにより合成波長内で
アブソリュートな測長を行うものである。
【0004】実際には、炭酸ガスレーザの2つの発振波
長の組合せを適当に変化させて長い合成波長での測長か
ら短い合成波長での測長へと繰返し同様の測定を行い、
さらに最後に単一波長での測長を行い、測長精度を上げ
ていくものである。
長の組合せを適当に変化させて長い合成波長での測長か
ら短い合成波長での測長へと繰返し同様の測定を行い、
さらに最後に単一波長での測長を行い、測長精度を上げ
ていくものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この測
長器は、光源に炭酸ガスレーザを用いた非常に大型のシ
ステムであり、また合成波長信号を実際に発生させるた
めには、掃引させる反射鏡は、少なくとも合成波長の半
分以上の距離を移動ステージで動かさなければならな
い。そのため、移動ステージ自体が非常に大掛かりなシ
ステムとなってしまう。さらに、複数の合成波長と単一
波長の位相を順次測定していくので測定に要する時間が
非常に長くなってしまう。
長器は、光源に炭酸ガスレーザを用いた非常に大型のシ
ステムであり、また合成波長信号を実際に発生させるた
めには、掃引させる反射鏡は、少なくとも合成波長の半
分以上の距離を移動ステージで動かさなければならな
い。そのため、移動ステージ自体が非常に大掛かりなシ
ステムとなってしまう。さらに、複数の合成波長と単一
波長の位相を順次測定していくので測定に要する時間が
非常に長くなってしまう。
【0006】本発明は上記の問題を解決し、合成波長信
号を実際には発生させずに測長を行うことができるアブ
ソリュート測長器を提供することを目的とする。
号を実際には発生させずに測長を行うことができるアブ
ソリュート測長器を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、波長の異なる
複数の可干渉光を交互に発する光源部(1,2,10,
20)と、上記光源部からの可干渉光を2つの光路に分
けるビームスプリッター(19)と、該ビームスプリッ
ター(19)で分けられた一方の光路に配置された被測
定物(27)と、上記ビームスプリッター(19)で分
けられた他方の光路に配置された光軸方向に移動可能な
スキャニングミラー(17)と、上記被測定物(27)
からの反射光束及び上記スキャニングミラー(17)か
らの反射光束を上記ビームスプリッター(19)を介し
て受光する受光部(36)と、上記スキャニングミラー
(17)によりスキャンされていて、上記光源部(1,
2,10,20)が、複数の可干渉光の各々を発するタ
イミングで受光部(36)の出力をサンプリングして、
各々の波長のサンプル信号を形成するサンプル部(3
1、41)と、上記各々のサンプル信号の位相関係から
各々の波長よりも十分大きな合成波長信号を想定し、こ
れに基いて上記被測定物までの距離を測定する距離測定
部(43)と、を有することを特徴とするアブソリュー
ト測長器である。
複数の可干渉光を交互に発する光源部(1,2,10,
20)と、上記光源部からの可干渉光を2つの光路に分
けるビームスプリッター(19)と、該ビームスプリッ
ター(19)で分けられた一方の光路に配置された被測
定物(27)と、上記ビームスプリッター(19)で分
けられた他方の光路に配置された光軸方向に移動可能な
スキャニングミラー(17)と、上記被測定物(27)
からの反射光束及び上記スキャニングミラー(17)か
らの反射光束を上記ビームスプリッター(19)を介し
て受光する受光部(36)と、上記スキャニングミラー
(17)によりスキャンされていて、上記光源部(1,
2,10,20)が、複数の可干渉光の各々を発するタ
イミングで受光部(36)の出力をサンプリングして、
各々の波長のサンプル信号を形成するサンプル部(3
1、41)と、上記各々のサンプル信号の位相関係から
各々の波長よりも十分大きな合成波長信号を想定し、こ
れに基いて上記被測定物までの距離を測定する距離測定
部(43)と、を有することを特徴とするアブソリュー
ト測長器である。
【0008】本発明は、好ましくは、上記光源部は、波
長の異なる複数の可干渉光を発する半導体レーザ(1
1、21)及びこれらに交互にパルスを供給するパルス
駆動部(10,20)とから構成されることを特徴とす
る請求項1記載のアブソリュート測長器である。
長の異なる複数の可干渉光を発する半導体レーザ(1
1、21)及びこれらに交互にパルスを供給するパルス
駆動部(10,20)とから構成されることを特徴とす
る請求項1記載のアブソリュート測長器である。
【0009】本発明は、好ましくは、上記波長の異なる
複数の可干渉光のうちの一方を第1波長λ1、他方を第
2波長λ2としたときに、上記距離測定部(43)は、
上記合成波長(Λ)を第1波長(λ1)と第2波長(λ
2)との最小公倍数の波長として想定し、第1波長サン
プル信号及び第2波長サンプル信号との位相関係から測
定時の合成波長の信号における位相(Φ)に基いて、上
記被測定物(27)までの距離を測定するように構成さ
れていることを特徴とする請求項1または2記載のアブ
ソリュート測長器である。
複数の可干渉光のうちの一方を第1波長λ1、他方を第
2波長λ2としたときに、上記距離測定部(43)は、
上記合成波長(Λ)を第1波長(λ1)と第2波長(λ
2)との最小公倍数の波長として想定し、第1波長サン
プル信号及び第2波長サンプル信号との位相関係から測
定時の合成波長の信号における位相(Φ)に基いて、上
記被測定物(27)までの距離を測定するように構成さ
れていることを特徴とする請求項1または2記載のアブ
ソリュート測長器である。
【0010】本発明は、好ましくは、上記距離測定部
(43)は、上記合成波長(Λ)を各々のうちの任意の
2つの波長の最小公倍数の波長として想定し、上記任意
の2つの波長サンプル信号の位相関係から測定時の合成
波長の信号における位相(Φ)に基いて、上記被測定物
(27)までの距離(d5−d4−d1+d2)を測定
するように構成されている。ここで、本発明における最
小公倍数はλ1とλ2とが互いに近い値であれば(λ1
×λ2)/|λ1−λ2|で求められる。
(43)は、上記合成波長(Λ)を各々のうちの任意の
2つの波長の最小公倍数の波長として想定し、上記任意
の2つの波長サンプル信号の位相関係から測定時の合成
波長の信号における位相(Φ)に基いて、上記被測定物
(27)までの距離(d5−d4−d1+d2)を測定
するように構成されている。ここで、本発明における最
小公倍数はλ1とλ2とが互いに近い値であれば(λ1
×λ2)/|λ1−λ2|で求められる。
【0011】
【作用】任意の2つの波長のサンプル信号の位相関係か
ら任意の2つの波長よりも十分大きな合成波長信号を想
定することができ、合成波長信号を実際に発生させる必
要がない。
ら任意の2つの波長よりも十分大きな合成波長信号を想
定することができ、合成波長信号を実際に発生させる必
要がない。
【0012】被測定物(27)までの距離は、想定した
合成波長信号における位相(Φ)に基いて得られる。光
源部として半導体レーザを用いることにより炭酸ガスレ
ーザを用いるのに比べて装置全体が小さい。
合成波長信号における位相(Φ)に基いて得られる。光
源部として半導体レーザを用いることにより炭酸ガスレ
ーザを用いるのに比べて装置全体が小さい。
【0013】
【実施例】図1は、本発明のアブソリュート測長器の好
適な実施例の構成を示すものである。一例として2個の
半導体レーザを用いる場合で説明する。
適な実施例の構成を示すものである。一例として2個の
半導体レーザを用いる場合で説明する。
【0014】発光部1と2は同様の構成のものである。
発光部1と2は、それぞれ半導体レーザ11,21、サ
ーミスタ12,22、ペルチェ素子13,23、放熱板
14,24からなる。発光部1および2は、それぞれ光
源駆動回路10,20で交互にパルス駆動される。発光
部1と光源駆動回路10は光源部を構成している。また
発光部2と光源駆動回路20は光源部を構成している。
発光部1と2は、それぞれ半導体レーザ11,21、サ
ーミスタ12,22、ペルチェ素子13,23、放熱板
14,24からなる。発光部1および2は、それぞれ光
源駆動回路10,20で交互にパルス駆動される。発光
部1と光源駆動回路10は光源部を構成している。また
発光部2と光源駆動回路20は光源部を構成している。
【0015】 発光部1と2から出射されたレーザ光
は、コリメートレンズ3,4でそれぞれコリメートさ
れ、ビームスプリッター5で同一の光軸となり、アイソ
レータ6を通り、偏光ビームスプリッター7で、S偏光
成分P1とP偏光成分P2とに分割される。
は、コリメートレンズ3,4でそれぞれコリメートさ
れ、ビームスプリッター5で同一の光軸となり、アイソ
レータ6を通り、偏光ビームスプリッター7で、S偏光
成分P1とP偏光成分P2とに分割される。
【0016】レーザ光のS偏光成分P1は、ビームスプ
リッター8で反射光P3と透過光P4に分割される。反
射光P3は偏光ビームスプリッター9で反射し、集光レ
ンズ16を経てスキャニングミラー17で反射し、同一
光路を戻って再びビームスプリッター8に入射し、それ
を透過して集光レンズ15へ向かう。一方、透過光P4
は段差ミラー25の2つの第1反射面Aと第2反射面B
で反射し、同一光路を戻ってビームスプリッター8で反
射し、スキャニングミラー17からの反射光と重なった
干渉光となり、集光レンズ15により集光される。段差
ミラー25の第1反射面Aと第2反射面Bには段差Lが
設定されている。この段差Lは透過光P4の光軸方向に
そって設けられている。
リッター8で反射光P3と透過光P4に分割される。反
射光P3は偏光ビームスプリッター9で反射し、集光レ
ンズ16を経てスキャニングミラー17で反射し、同一
光路を戻って再びビームスプリッター8に入射し、それ
を透過して集光レンズ15へ向かう。一方、透過光P4
は段差ミラー25の2つの第1反射面Aと第2反射面B
で反射し、同一光路を戻ってビームスプリッター8で反
射し、スキャニングミラー17からの反射光と重なった
干渉光となり、集光レンズ15により集光される。段差
ミラー25の第1反射面Aと第2反射面Bには段差Lが
設定されている。この段差Lは透過光P4の光軸方向に
そって設けられている。
【0017】この干渉光のうち、段差ミラー25の2つ
の第1反射面Aと第2反射面Bによる干渉光は、プリズ
ム26で分割されてそれぞれ検出器34,35で検出さ
れる。これら2つの検出器34,35の出力を用いて半
導体レーザ11、12の発振波長の安定化を行う。さら
に、検出器34の出力から、光路d1と光路(d2+d
3)の光路長差を測定する。これは本発明のアブソリュ
ート測長器の測長時の原点信号を与えるものである。こ
の原点信号を基準として、反射ミラー27までの距離
(d5−d4−d1+d2)の測長を行う。
の第1反射面Aと第2反射面Bによる干渉光は、プリズ
ム26で分割されてそれぞれ検出器34,35で検出さ
れる。これら2つの検出器34,35の出力を用いて半
導体レーザ11、12の発振波長の安定化を行う。さら
に、検出器34の出力から、光路d1と光路(d2+d
3)の光路長差を測定する。これは本発明のアブソリュ
ート測長器の測長時の原点信号を与えるものである。こ
の原点信号を基準として、反射ミラー27までの距離
(d5−d4−d1+d2)の測長を行う。
【0018】図1のレーザ光のP偏光成分P2は、ビー
ムスプリッター19で反射光P5と透過光P6に分割さ
れる。反射光P5は偏光ビームスプリッター9を透過
し、集光レンズ16を経てスキャニングミラー17で反
射し、同一光路を戻って再びビームスプリッター19に
入射し、それを透過して集光レンズ28へ向かう。一
方、透過光P6は測長用の被測定物としての反射ミラー
27で反射し、同一光路を戻ってビームスプリッター1
9で反射し、スキャニングミラー17からの反射光と重
なった干渉光となり、集光レンズ28により集光され、
検出器36で検出される。この検出器36の出力から、
光路(d3+d4)と光路d5の光路長差を測定する。
この光路長差と、前述の測長原点のための光路長差の測
定結果の差が、本発明のアブソリュート測長器の最終出
力を与えるものである。
ムスプリッター19で反射光P5と透過光P6に分割さ
れる。反射光P5は偏光ビームスプリッター9を透過
し、集光レンズ16を経てスキャニングミラー17で反
射し、同一光路を戻って再びビームスプリッター19に
入射し、それを透過して集光レンズ28へ向かう。一
方、透過光P6は測長用の被測定物としての反射ミラー
27で反射し、同一光路を戻ってビームスプリッター1
9で反射し、スキャニングミラー17からの反射光と重
なった干渉光となり、集光レンズ28により集光され、
検出器36で検出される。この検出器36の出力から、
光路(d3+d4)と光路d5の光路長差を測定する。
この光路長差と、前述の測長原点のための光路長差の測
定結果の差が、本発明のアブソリュート測長器の最終出
力を与えるものである。
【0019】なお、スキャニングミラー17は、例えば
PZTなどの圧電素子18に取付けられて、発振器3
0、各種のパルス信号発生器31、およびPZTドライ
バ33からのランプ波で、半導体レーザ11、21の発
振波長の数波長分だけ矢印方向、すなわち、反射光P5
の方向に掃引されている。その周波数は、半導体レーザ
の駆動周波数より十分遅いものである。反射ミラー27
と段差ミラー25はともに固定されている。このよう
に、光源に半導体レーザを用いしかもスキャニングミラ
ー17を圧電素子18で掃引することで大幅な全体の小
型化が図れる。
PZTなどの圧電素子18に取付けられて、発振器3
0、各種のパルス信号発生器31、およびPZTドライ
バ33からのランプ波で、半導体レーザ11、21の発
振波長の数波長分だけ矢印方向、すなわち、反射光P5
の方向に掃引されている。その周波数は、半導体レーザ
の駆動周波数より十分遅いものである。反射ミラー27
と段差ミラー25はともに固定されている。このよう
に、光源に半導体レーザを用いしかもスキャニングミラ
ー17を圧電素子18で掃引することで大幅な全体の小
型化が図れる。
【0020】まず、本発明のアブソリュート測長器の半
導体レーザの発振波長の安定化方法について詳細に説明
する。
導体レーザの発振波長の安定化方法について詳細に説明
する。
【0021】今、図1のビームスプリッター8からスキ
ャニングミラー17までの光路長(d2+d3)と段差
ミラー25の第1反射面Aまでの光路長d1がほぼ等し
いとすると、検出器34からの出力信号は光路差が0付
近のフリンジスキャン信号、検出器35からの出力信号
は光路差が2L付近のフリンジスキャン信号である。こ
れらの信号を用いて半導体レーザの波長安定化を行う。
ャニングミラー17までの光路長(d2+d3)と段差
ミラー25の第1反射面Aまでの光路長d1がほぼ等し
いとすると、検出器34からの出力信号は光路差が0付
近のフリンジスキャン信号、検出器35からの出力信号
は光路差が2L付近のフリンジスキャン信号である。こ
れらの信号を用いて半導体レーザの波長安定化を行う。
【0022】図1の半導体レーザ11,21を図2の信
号(1),(2)でそれぞれパルス駆動すると、その時
の波長変化の様子は波形(3),(4)のようになり、
パルス発振しているレーザ光はその波長が常に変化して
いる状態にある。ここでは、パルス発振において一定の
タイミングでのレーザ光の波長を安定化させる。具体的
には、図1の検出器34,35の出力から図2のタイミ
ング(5),(6)で信号を取り出し、このタイミング
での波長を安定化させる。
号(1),(2)でそれぞれパルス駆動すると、その時
の波長変化の様子は波形(3),(4)のようになり、
パルス発振しているレーザ光はその波長が常に変化して
いる状態にある。ここでは、パルス発振において一定の
タイミングでのレーザ光の波長を安定化させる。具体的
には、図1の検出器34,35の出力から図2のタイミ
ング(5),(6)で信号を取り出し、このタイミング
での波長を安定化させる。
【0023】図3に波長安定化のフィードバック系の構
成を示し、図4に図3のフィードバック系の各部の信号
を示す。簡単のため発光部1のみについて示してある。
しかし発光部2についても同様である。
成を示し、図4に図3のフィードバック系の各部の信号
を示す。簡単のため発光部1のみについて示してある。
しかし発光部2についても同様である。
【0024】図3の検出器34,35の出力は、それぞ
れサンプルホールド50,51にて信号(5)によるサ
ンプルホールドが行なわれる。これらのサンプルホール
ド50,51の出力はそれぞれ図4の信号a,bとな
り、フィルタ52,53に通すと信号c,dとなる。こ
れらの信号c,dの位相を比較して、2つの信号の位相
が完全に一致するように、図3の光源駆動回路10を経
て発光部1にフィードバックすることで、(5)のタイ
ミングでの波長を安定化させる。2つの信号の位相を一
致させるには、半導体レーザ11(あるいは12)の温
度や注入電流を変化させて発振波長を変化させてやれば
良い。
れサンプルホールド50,51にて信号(5)によるサ
ンプルホールドが行なわれる。これらのサンプルホール
ド50,51の出力はそれぞれ図4の信号a,bとな
り、フィルタ52,53に通すと信号c,dとなる。こ
れらの信号c,dの位相を比較して、2つの信号の位相
が完全に一致するように、図3の光源駆動回路10を経
て発光部1にフィードバックすることで、(5)のタイ
ミングでの波長を安定化させる。2つの信号の位相を一
致させるには、半導体レーザ11(あるいは12)の温
度や注入電流を変化させて発振波長を変化させてやれば
良い。
【0025】図4の信号cは図3のコンパレータ54で
位相の反転した2つの矩形信号e,fに変換される。信
号dは、サンプルホールド56,57にて信号e,fの
立ち上がりのタイミングでサンプルホールドされ、その
出力はそれぞれg,hとなる。さらに、出力g,hを図
3のサンプルホールド58,59でホールド部分を取り
出し、ローパスフィルタ60,61に通すと図4の出力
i,jが得られる。これらを差動アンプ65にて差動増
幅したものが、信号c,dの位相差に対応したフィード
バック信号となる。この信号を温度もしくは注入電流に
フィードバックさせれば、発振波長を安定化させること
ができる。
位相の反転した2つの矩形信号e,fに変換される。信
号dは、サンプルホールド56,57にて信号e,fの
立ち上がりのタイミングでサンプルホールドされ、その
出力はそれぞれg,hとなる。さらに、出力g,hを図
3のサンプルホールド58,59でホールド部分を取り
出し、ローパスフィルタ60,61に通すと図4の出力
i,jが得られる。これらを差動アンプ65にて差動増
幅したものが、信号c,dの位相差に対応したフィード
バック信号となる。この信号を温度もしくは注入電流に
フィードバックさせれば、発振波長を安定化させること
ができる。
【0026】図3の構成は、温度と注入電流の両方にフ
ィードバックする場合を示している。ここでは差動アン
プ65の出力を、時定数および増幅度の異なる2つのロ
ーパスフィルタ71,72に通したものを、信号c,d
の位相差に対応したフィードバック信号とする。ローパ
スフィルタ71の出力は、温度制御回路10aを経て発
光部1に、そしてローパスフィルタ72の出力は、電流
制御回路10b、駆動回路10cを経て発光部1にフィ
ードバックされる。このうち温度制御の方は、応答が遅
いため時定数を長くしてあり、かつ波長変化率が大きい
ため粗調整として用いられ、電流制御の方は、応答が速
いため時定数を短くしてあり、かつ波長変化率が小さい
ため微調整として用いられる。
ィードバックする場合を示している。ここでは差動アン
プ65の出力を、時定数および増幅度の異なる2つのロ
ーパスフィルタ71,72に通したものを、信号c,d
の位相差に対応したフィードバック信号とする。ローパ
スフィルタ71の出力は、温度制御回路10aを経て発
光部1に、そしてローパスフィルタ72の出力は、電流
制御回路10b、駆動回路10cを経て発光部1にフィ
ードバックされる。このうち温度制御の方は、応答が遅
いため時定数を長くしてあり、かつ波長変化率が大きい
ため粗調整として用いられ、電流制御の方は、応答が速
いため時定数を短くしてあり、かつ波長変化率が小さい
ため微調整として用いられる。
【0027】信号c,dはそれぞれ数式1と数式2で表
される。
される。
【0028】
【数1】
【0029】
【数2】 ここで、α(t)はスキャニングミラー17の移動量を
表す。この2つの信号の位相を一致させるには、2L/
λ1=n1(n1は整数)となる必要があり、発振波長
λ1はλ1=2L/n1に固定される。ただし、n1の
値を間違うと別の波長に設定されるので、半導体レーザ
11(あるいは21)の温度は、ある設定温度(モード
ホップが近傍にない温度)を基準に、常にある温度範囲
内で制御する必要がある。その温度制御範囲は、半導体
レーザの発振波長の温度依存性と段差量Lで決まる。長
期の安定性は、例えば段差ミラー25を温度制御して段
差量Lの変動を抑えることで良くすることができる。
表す。この2つの信号の位相を一致させるには、2L/
λ1=n1(n1は整数)となる必要があり、発振波長
λ1はλ1=2L/n1に固定される。ただし、n1の
値を間違うと別の波長に設定されるので、半導体レーザ
11(あるいは21)の温度は、ある設定温度(モード
ホップが近傍にない温度)を基準に、常にある温度範囲
内で制御する必要がある。その温度制御範囲は、半導体
レーザの発振波長の温度依存性と段差量Lで決まる。長
期の安定性は、例えば段差ミラー25を温度制御して段
差量Lの変動を抑えることで良くすることができる。
【0030】以上の手法により、信号c,dの位相を合
わせることができ、半導体レーザ11のタイミング
(5)における発振波長λ1は、λ1=2L/n1にロ
ックされることになる。同様に、半導体レーザ21のタ
イミング(6)における発振波長λ2も、λ1と同時
に、λ2=2L/n2にロックされることになる。な
お、図示を略したが、これらはAPC(オートパワーコ
ントロール)回路と一緒に用いられるものである。
わせることができ、半導体レーザ11のタイミング
(5)における発振波長λ1は、λ1=2L/n1にロ
ックされることになる。同様に、半導体レーザ21のタ
イミング(6)における発振波長λ2も、λ1と同時
に、λ2=2L/n2にロックされることになる。な
お、図示を略したが、これらはAPC(オートパワーコ
ントロール)回路と一緒に用いられるものである。
【0031】さらに、半導体レーザ11の駆動パルスを
図2の信号(1)のように電流変調することで、1つの
半導体レーザ11または12から2つの異なる波長を得
ることができる。前述の方法により、タイミング(5)
での発振波長を安定化させて、そこから注入電流を増加
(もしくは減少)させることにより、タイミング(7)
で異なる波長を得ることができる。タイミング(7)の
波長はタイミング(5)とわずかに異なるだけなので、
その安定化方法は、タイミング(7)で前述の手順の処
理を行い、図3のフィルタ52,53の出力の位相差が
適当な値になるように、増加(もしくは減少)させる電
流値を制御してやれば良い。あるいは、単に増加(もし
くは減少)させる電流値を精度良く抑えることだけでも
安定化できる。タイミング(7)の波長をλ1′とする
と、合成波長Λ1は数式3であり、その安定度は|λ
1′−λ1|で決まると言って良い。従って、電流値が
安定なら、波長λ1′は波長λ1に追従して変動するの
で、合成波長自体の変動は小さい。
図2の信号(1)のように電流変調することで、1つの
半導体レーザ11または12から2つの異なる波長を得
ることができる。前述の方法により、タイミング(5)
での発振波長を安定化させて、そこから注入電流を増加
(もしくは減少)させることにより、タイミング(7)
で異なる波長を得ることができる。タイミング(7)の
波長はタイミング(5)とわずかに異なるだけなので、
その安定化方法は、タイミング(7)で前述の手順の処
理を行い、図3のフィルタ52,53の出力の位相差が
適当な値になるように、増加(もしくは減少)させる電
流値を制御してやれば良い。あるいは、単に増加(もし
くは減少)させる電流値を精度良く抑えることだけでも
安定化できる。タイミング(7)の波長をλ1′とする
と、合成波長Λ1は数式3であり、その安定度は|λ
1′−λ1|で決まると言って良い。従って、電流値が
安定なら、波長λ1′は波長λ1に追従して変動するの
で、合成波長自体の変動は小さい。
【0032】
【数3】 フィードバックがかかった状態では、一定のタイミング
での半導体レーザ11,12の発振波長λ1,λ2は、
λ1=2L/n1,λ2=2L/n2にそれぞれ固定さ
れることになる。ここでn1,n2は整数である。この
2つの波長の組み合わせで得られる合成波長Λ2も、数
式4で示すようになり、2Lの整数分の1に固定される
ことになる。従って、2つの半導体レーザを適当に選別
することにより、任意の合成波長を作ることができる。
での半導体レーザ11,12の発振波長λ1,λ2は、
λ1=2L/n1,λ2=2L/n2にそれぞれ固定さ
れることになる。ここでn1,n2は整数である。この
2つの波長の組み合わせで得られる合成波長Λ2も、数
式4で示すようになり、2Lの整数分の1に固定される
ことになる。従って、2つの半導体レーザを適当に選別
することにより、任意の合成波長を作ることができる。
【0033】
【数4】 このように、パルス駆動した半導体レーザにおいても、
一定のタイミングでの波長を安定化させることができ、
交互発振する複数の波長安定化半導体レーザ光源を実現
することができる。出力光から同じタイミングでの光を
取り出して信号処理することにより、複数の波長の信号
を同時に得ることができる。
一定のタイミングでの波長を安定化させることができ、
交互発振する複数の波長安定化半導体レーザ光源を実現
することができる。出力光から同じタイミングでの光を
取り出して信号処理することにより、複数の波長の信号
を同時に得ることができる。
【0034】別の波長安定化方法として、半導体レーザ
を駆動するパルスのパルス幅を制御するフィードバック
方法でも良い。図2のサンプリングのタイミング信号
(5),(6)および駆動パルス(1),(2)の消光
のタイミングが固定とすると、駆動パルス(1),
(2)の発光タイミングを変えてやれば、波長変化
(3),(4)の波形が変化するので発振波長が変わ
る。この関係を用いてフィードバックをかけることがで
きる。図3に示したように、ローパスフィルタ71の出
力は、前述のように温度制御回路10aを経て発光部1
へ、そしてローパスフィルタ72の出力は、パルス幅制
御回路10d、パルス駆動回路10e(図示略)を経て
発光部1へフィードバックされる。ただしこの場合、パ
ルス幅はデューティ50が最大となる。このフィードバ
ック方法は、波長の安定化を温度とパルス幅の制御で行
うため、注入電流の制御をAPC単独で使うことができ
る。
を駆動するパルスのパルス幅を制御するフィードバック
方法でも良い。図2のサンプリングのタイミング信号
(5),(6)および駆動パルス(1),(2)の消光
のタイミングが固定とすると、駆動パルス(1),
(2)の発光タイミングを変えてやれば、波長変化
(3),(4)の波形が変化するので発振波長が変わ
る。この関係を用いてフィードバックをかけることがで
きる。図3に示したように、ローパスフィルタ71の出
力は、前述のように温度制御回路10aを経て発光部1
へ、そしてローパスフィルタ72の出力は、パルス幅制
御回路10d、パルス駆動回路10e(図示略)を経て
発光部1へフィードバックされる。ただしこの場合、パ
ルス幅はデューティ50が最大となる。このフィードバ
ック方法は、波長の安定化を温度とパルス幅の制御で行
うため、注入電流の制御をAPC単独で使うことができ
る。
【0035】以上のようにして、2つの半導体レーザか
ら前述のタイミングで交互発振する3つの異なる波長を
安定化させることができる。さらに、これらの組み合わ
せで得られる2つの合成波長も安定化されることにな
る。
ら前述のタイミングで交互発振する3つの異なる波長を
安定化させることができる。さらに、これらの組み合わ
せで得られる2つの合成波長も安定化されることにな
る。
【0036】なお、この波長安定化方法による波長安定
化だけに着目すれば、スキャニングミラー17は単に干
渉縞を走査すれば良く、その動きの非直線性や振幅変動
および原点変動は何ら問題にならない。ヨーイング等の
ミラーの動きの影響も、図1のように、スキャニングミ
ラー17の前に適当な長さの焦点距離を持つ集光レンズ
16を用いることにより除去できる。
化だけに着目すれば、スキャニングミラー17は単に干
渉縞を走査すれば良く、その動きの非直線性や振幅変動
および原点変動は何ら問題にならない。ヨーイング等の
ミラーの動きの影響も、図1のように、スキャニングミ
ラー17の前に適当な長さの焦点距離を持つ集光レンズ
16を用いることにより除去できる。
【0037】次に、本発明の測長器の測長方法について
詳細に説明する。圧電素子18の移動量では合成波長信
号を作ることはできないので、ここでは3波長のうち前
述の2通りの組み合わせにおける2波長の個別のフリン
ジスキャン信号の位相関係を求めることによりアブソリ
ュート測長を行う。
詳細に説明する。圧電素子18の移動量では合成波長信
号を作ることはできないので、ここでは3波長のうち前
述の2通りの組み合わせにおける2波長の個別のフリン
ジスキャン信号の位相関係を求めることによりアブソリ
ュート測長を行う。
【0038】具体的には、個々の波長λ1,λ1′の位
相関係より合成波長Λ1内でアブソリュート測長を行
い、波長λ1,λ2の位相関係より合成波長Λ2内でよ
り高精度なアブソリュート測長を行う。さらに精度が要
求される場合には、単波長λ1(またはλ2)の位相を
測定すれば良い。
相関係より合成波長Λ1内でアブソリュート測長を行
い、波長λ1,λ2の位相関係より合成波長Λ2内でよ
り高精度なアブソリュート測長を行う。さらに精度が要
求される場合には、単波長λ1(またはλ2)の位相を
測定すれば良い。
【0039】測長は検出器34,36の出力より行う。
【0040】検出器34の出力は、測長の原点を与える
ものであり、図1において数式5を求めるものである。
検出器36の出力からは、数式6が求められる。両者の
差をとることにより、最終出力Dが数式7に示すように
求められる。
ものであり、図1において数式5を求めるものである。
検出器36の出力からは、数式6が求められる。両者の
差をとることにより、最終出力Dが数式7に示すように
求められる。
【0041】
【数5】
【0042】
【数6】
【0043】
【数7】 図3の検出器34,36からの出力信号は、前述の図2
のタイミング(5),(6),(7)において図1のA
/D変換器40,41でA/D変換され、個々の波長λ
1,λ2,λ1′のチャンネルに分割され、RAM4
2,43に入る。その後はソフトでの信号処理で位相測
定を行う。なお、スキャニングミラー17は等速に掃引
されるか、あるいは以下の信号処理では等速に掃引され
ている部分のみを使用するものとする。
のタイミング(5),(6),(7)において図1のA
/D変換器40,41でA/D変換され、個々の波長λ
1,λ2,λ1′のチャンネルに分割され、RAM4
2,43に入る。その後はソフトでの信号処理で位相測
定を行う。なお、スキャニングミラー17は等速に掃引
されるか、あるいは以下の信号処理では等速に掃引され
ている部分のみを使用するものとする。
【0044】図5〜図7は信号処理の一例を示すもので
あり、例えば検出器36からの信号を表すものとする。
簡単のため波長λ1,λ2の位相関係を求める場合のみ
を示す(RAMイメージ)。
あり、例えば検出器36からの信号を表すものとする。
簡単のため波長λ1,λ2の位相関係を求める場合のみ
を示す(RAMイメージ)。
【0045】RAM43に入った2波長λ1,λ2の信
号に適当なフィルタリングを施すと、図5のようなフリ
ンジスキャン信号が得られる。
号に適当なフィルタリングを施すと、図5のようなフリ
ンジスキャン信号が得られる。
【0046】ここでこれらの信号のゼロクロス点を算出
し、各ゼロクロス点に対応する時間t(またはアドレ
ス)を図6のようにプロットする。横軸Xはゼロクロス
点の番号である(図6では最初の立ち上がりを1として
ある)。以後(N=2,3,…)のフリンジスキャン周
期においても同様である。ここで2波長λ1,λ2の各
点に対して最小二乗法により直線をフィッティングし、
基準時間trの時の2つの直線のずれ量(位相差)ΔX
を求める。ΔXは−1≦ΔX≦+1の範囲である。この
時、2波長λ1,λ2の組み合わせで得られる合成波長
Λ2内での位相Φは、図7のように数式8で与えられ
る。
し、各ゼロクロス点に対応する時間t(またはアドレ
ス)を図6のようにプロットする。横軸Xはゼロクロス
点の番号である(図6では最初の立ち上がりを1として
ある)。以後(N=2,3,…)のフリンジスキャン周
期においても同様である。ここで2波長λ1,λ2の各
点に対して最小二乗法により直線をフィッティングし、
基準時間trの時の2つの直線のずれ量(位相差)ΔX
を求める。ΔXは−1≦ΔX≦+1の範囲である。この
時、2波長λ1,λ2の組み合わせで得られる合成波長
Λ2内での位相Φは、図7のように数式8で与えられ
る。
【0047】
【数8】 単一波長λ1(またはλ2)での位相は基準時間trの
時のX座標より容易に求められる。波長λ1,λ1′の
位相関係も同様に求められる。以上により、図1の検出
器36の信号からD1の値を図8のように特定すること
ができる。波長λ1,λ1′の位相関係より、この組み
合わせで得られる合成波長Λ1内での位相(Φ1)が求
められる。したがって、数式9となる。
時のX座標より容易に求められる。波長λ1,λ1′の
位相関係も同様に求められる。以上により、図1の検出
器36の信号からD1の値を図8のように特定すること
ができる。波長λ1,λ1′の位相関係より、この組み
合わせで得られる合成波長Λ1内での位相(Φ1)が求
められる。したがって、数式9となる。
【0048】
【数9】 次に、このΦ1が、波長λ1,λ2の組み合わせで得ら
れる合成波長Λ2の何個分(整数個+端数)に相当する
か決められる。さらにこの端数分は、合成波長Λ2内で
の位相(Φ2)より決められる。つまり数式10とな
る。さらに図示を略すが、単波長λ1(またはλ2)の
位相から、より高精度にD1の値を特定することができ
る。なお測長範囲は波長が一番長い合成波長Λ1の一波
長分の光路差の範囲となる。検出器34の信号からも、
同様に位相測定を行いD0を算出し、数7に基いて両者
の差をとることにより最終出力Dを求めることができ
る。これにより、d3の光路分がキャンセルされるの
で、基準時間trにおけるスキャニングミラー17の位
置変動の影響をとりのぞくことができる。ただし、合成
波長Λ1,Λ2、単波長λ1(またはλ2)の値を正確
に特定することはできないので、一度既知の長さを測定
して校正してやる必要がある。なお、これらの位相関係
の算出は同時に行えるので、測定時間を著しく短縮する
ことができる。
れる合成波長Λ2の何個分(整数個+端数)に相当する
か決められる。さらにこの端数分は、合成波長Λ2内で
の位相(Φ2)より決められる。つまり数式10とな
る。さらに図示を略すが、単波長λ1(またはλ2)の
位相から、より高精度にD1の値を特定することができ
る。なお測長範囲は波長が一番長い合成波長Λ1の一波
長分の光路差の範囲となる。検出器34の信号からも、
同様に位相測定を行いD0を算出し、数7に基いて両者
の差をとることにより最終出力Dを求めることができ
る。これにより、d3の光路分がキャンセルされるの
で、基準時間trにおけるスキャニングミラー17の位
置変動の影響をとりのぞくことができる。ただし、合成
波長Λ1,Λ2、単波長λ1(またはλ2)の値を正確
に特定することはできないので、一度既知の長さを測定
して校正してやる必要がある。なお、これらの位相関係
の算出は同時に行えるので、測定時間を著しく短縮する
ことができる。
【0049】
【数10】 このように、従来のようにスキャニングミラー17を合
成波長分動かして実際に合成波長信号を作らなくても、
スキャニングミラー17を圧電素子18で掃引して得ら
れるフリンジスキャン信号を用いて、任意の2波長の位
相関係を求めることにより被測定物である反射ミラー2
7の距離のアブソリュートな測長を行うことができる。
成波長分動かして実際に合成波長信号を作らなくても、
スキャニングミラー17を圧電素子18で掃引して得ら
れるフリンジスキャン信号を用いて、任意の2波長の位
相関係を求めることにより被測定物である反射ミラー2
7の距離のアブソリュートな測長を行うことができる。
【0050】また、図示を略すが、検出器34の出力か
らλ1,λ2の信号を取り出し、基準時間trでの位相
を合わせることにより、基準時間trでのスキャニング
ミラー17の位置を固定することができる。具体的に
は、位相合わせの誤差信号を圧電素子18のDC電圧に
フィードバックしてやれば良い。これにより、常にd1
=d2+d3の状態に保つことができるので、前述の反
射ミラー27の測長のための位相関係の算出は、検出器
36の信号を処理するだけで良くなる。
らλ1,λ2の信号を取り出し、基準時間trでの位相
を合わせることにより、基準時間trでのスキャニング
ミラー17の位置を固定することができる。具体的に
は、位相合わせの誤差信号を圧電素子18のDC電圧に
フィードバックしてやれば良い。これにより、常にd1
=d2+d3の状態に保つことができるので、前述の反
射ミラー27の測長のための位相関係の算出は、検出器
36の信号を処理するだけで良くなる。
【0051】また、本発明のアブソリュート測長器は、
図1において破線で示す対物レンズ29を挿入すること
により、被測定部の粗面などの物体形状の測定にも応用
可能である。この場合、半導体レーザの波長安定度によ
り、光路差が0から離れるにつれて誤差が累積されるた
め、対物レンズ29のピント位置が、d3+d4=d5
となるような位置に対物レンズ29を配置するのが望ま
しい。測定面がピント位置から離れている場合でも、ア
ブソリュート測長が可能である。
図1において破線で示す対物レンズ29を挿入すること
により、被測定部の粗面などの物体形状の測定にも応用
可能である。この場合、半導体レーザの波長安定度によ
り、光路差が0から離れるにつれて誤差が累積されるた
め、対物レンズ29のピント位置が、d3+d4=d5
となるような位置に対物レンズ29を配置するのが望ま
しい。測定面がピント位置から離れている場合でも、ア
ブソリュート測長が可能である。
【0052】ところで、本発明は上述の実施例に限定さ
れない。たとえば、上記の説明では使用する半導体レー
ザの数を2つ、波長の数を3つとしたが、これらの数は
これに限られるものではない。また、回路構成および信
号処理方法もこれに限られるものではない。
れない。たとえば、上記の説明では使用する半導体レー
ザの数を2つ、波長の数を3つとしたが、これらの数は
これに限られるものではない。また、回路構成および信
号処理方法もこれに限られるものではない。
【0053】
【発明の効果】請求項1の発明のアブソリュート測長器
は、複数の交互発振する半導体レーザなどの光源装置の
ための波長安定化機能を備えており、たとえば半導体レ
ーザを光源としたコンパクトなアブソリュート測長器を
実現することができる。
は、複数の交互発振する半導体レーザなどの光源装置の
ための波長安定化機能を備えており、たとえば半導体レ
ーザを光源としたコンパクトなアブソリュート測長器を
実現することができる。
【0054】また、干渉計の一方のアームの反射鏡を圧
電素子により掃引し、受光部の出力を各波長のタイミン
グで時分割して各波長ごとのフリンジスキャン信号を取
り出し、任意の2つの波長の信号位相関係を求めて測長
を行うので、合成波長信号を発生させるための大掛かり
な移動ステージを必要とすること無く、簡単な構成のア
ブソリュート測長器を実現することができる。
電素子により掃引し、受光部の出力を各波長のタイミン
グで時分割して各波長ごとのフリンジスキャン信号を取
り出し、任意の2つの波長の信号位相関係を求めて測長
を行うので、合成波長信号を発生させるための大掛かり
な移動ステージを必要とすること無く、簡単な構成のア
ブソリュート測長器を実現することができる。
【0055】さらに、複数の波長間の位相関係を同時に
算出できるので、測定時間を著しく短縮することができ
る。
算出できるので、測定時間を著しく短縮することができ
る。
【0056】請求項2の発明によれば、炭酸ガスレーザ
でなく半導体レーザを用いるので、装置の小型化および
コスト低減が図れる。
でなく半導体レーザを用いるので、装置の小型化および
コスト低減が図れる。
【0057】請求項3の発明によれば、合成波長信号を
実際には発生させずに、想定で求めることができる。し
たがって被測定物までの距離をこの想定した合成波長信
号を基にして即座に求めることができる。
実際には発生させずに、想定で求めることができる。し
たがって被測定物までの距離をこの想定した合成波長信
号を基にして即座に求めることができる。
【図1】本発明のアブソリュート測長器の好適な実施例
を示す図。
を示す図。
【図2】本発明の図1の実施例における各種波形を示す
図。
図。
【図3】本発明の図1の実施例のフィードバック系を示
す図。
す図。
【図4】本発明の図3における各種波形を示す図。
【図5】本発明の実施例における信号処理例を示し、特
にフリンジスキャン信号を示す図。
にフリンジスキャン信号を示す図。
【図6】本発明の図5のフリンジスキャン信号のゼロク
ロス点の位置と時間の関係を示す図。
ロス点の位置と時間の関係を示す図。
【図7】本発明の図6から得られる合成波長内での位相
を示す図。
を示す図。
【図8】合成波長の波形を示した図。
1 発光部(光源部) 2 発光部(光源部) 10 光源駆動回路(光源部) 20 光源駆動回路(光源部) 11 半導体レーザ 21 半導体レーザ 17 スキャニングミラー 19 ビームスプリッター 27 反射ミラー(被測定物) 31 パルス信号発生部(サンプル部) 34 検出部(受光部) 35 検出部(受光部) 36 検出部(受光部) 41 A/D変換器(サンプル部) 43 RAM(距離測定部) ◆
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 峯岸 功 東京都板橋区蓮沼町75番1号 株式会社 トプコン内 (56)参考文献 特開 昭60−306(JP,A) 特開 昭62−215803(JP,A) 特開 平1−216201(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 9/00 - 11/30 102
Claims (3)
- 【請求項1】 波長の異なる複数の可干渉光を交互に発
する光源部(1,2,10,20)と、 上記光源部からの可干渉光を2つの光路に分けるビーム
スプリッター(19)と、 該ビームスプリッター(19)で分けられた一方の光路
に配置された被測定物(27)と、 上記ビームスプリッター(19)で分けられた他方の光
路に配置された光軸方向に移動可能なスキャニングミラ
ー(17)と、 上記被測定物(27)からの反射光束及び上記スキャニ
ングミラー(17)からの反射光束を上記ビームスプリ
ッター(19)を介して受光する受光部(36)と、 上記スキャニングミラー(17)によりスキャンされて
いて、上記光源部(1,2,10,20)が、複数の可
干渉光の各々を発するタイミングで受光部(36)の出
力をサンプリングして、各々の波長のサンプル信号を形
成するサンプル部(31、41)と、 上記各々のサンプル信号の位相関係から各々の波長より
も十分大きな合成波長信号を想定し、これに基いて上記
被測定物までの距離を測定する距離測定部(43)と、
を有することを特徴とするアブソリュート測長器。 - 【請求項2】 上記光源部は、波長の異なる複数の可干
渉光を発する半導体レーザ(11、21)及びこれらに
交互にパルスを供給するパルス駆動部(10,20)と
から構成されることを特徴とする請求項1記載のアブソ
リュート測長器。 - 【請求項3】 上記波長の異なる複数の可干渉光のうち
の一方を第1波長λ1、他方を第2波長λ2としたとき
に、上記距離測定部(43)は、上記合成波長(Λ)を
第1波長(λ1)と第2波長(λ2)との最小公倍数の
波長として想定し、第1波長サンプル信号及び第2波長
サンプル信号との位相関係から測定時の合成波長の信号
における位相(Φ)に基いて、上記被測定物(27)ま
での距離を測定するように構成されていることを特徴と
する請求項1または2記載のアブソリュート測長器。
Priority Applications (2)
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