JP4545882B2 - 二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計 - Google Patents
二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4545882B2 JP4545882B2 JP2000151435A JP2000151435A JP4545882B2 JP 4545882 B2 JP4545882 B2 JP 4545882B2 JP 2000151435 A JP2000151435 A JP 2000151435A JP 2000151435 A JP2000151435 A JP 2000151435A JP 4545882 B2 JP4545882 B2 JP 4545882B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser diode
- light
- external resonator
- distance
- target object
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードの戻り光を利用した距離・変位計に関する。さらに詳しく言えば、二重外部共振器により測定誤差を補正したレーザダイオード式距離・変位計に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザが実用化されて以来、レーザ干渉計は距離や変位の測定に使用され、位置測定やアライメント用などに広く使用されてきた。この形のマイクロ位置センサはロボットセンシング、機械の制御、寸法伸縮の計測・監視、表面形状計測などに広く利用されてきた。
【0003】
最近、サブミクロン(1μm以下)の変位を測定するための周波数変調式レーザダイオード干渉計に属するさまざまな技術が提案されている。
例えば、ジー・ビーハイム(G. Beheim ) およびケー・フリッツシ(K. Fritsch)によるレーザダイオードを使用した遠隔変位計測法がエレクトロニクス レター(Electronics Letters)誌、21巻(1985年)、93〜94ページに記載されている。久保田(T.Kubota)、奈良(M. Nara) および吉野(T. Yoshino)により、変位と距離を測定するための干渉計がオプチックレター(Optics Letter) 誌、12巻(1987年)、310〜312ページに記載され、加藤, 菊池, 山口およびオゾノ(J. Kato, N. Kikuchi, I. Yamaguchi and S. Ozono)によりレーザダイオードを使用した光帰還形変位センサとその性能改善について、メジャメント サイエンス アンド テクノロジー(Measurement Science & Technology)誌、6巻(1995)、45〜52ページに記載されている。
さらに、最近では、内山(T. Uchiyama) および来(G. Lai)により、レーザダイオードの位相センサを使用し、光学的に捕獲された粒子の変位を測定する方法が提案され、アイイーイーイー アプリケーション ソサイエティ (IEEE Industry Application Society)の1998年度年次大会(1998年)で発表され、同論文誌1686〜1689ページに記載されている。
【0004】
一般に、レーザダイオードを光源として使用した干渉計は構成が極めて単純であり、小形軽量にまとめることができる。これらの干渉計法においては、レーザダイオードの注入電流に光パワーも変調されている。さらに、これらの干渉計法の測定精度はレーザダイオードの発光周波数のフラクチュエーション(飄動)によっても影響されている。
レーザダイオードの温度変動を1/500°K(=2×10-3 °K)に保たないと周波数の変動により、外部共振器の長さを約10cmと仮定しても、測定精度を1/20波長に保つことは実際上極めて困難であると試算されている。
【0005】
一方、周波数変調を行う方式のレーザダイオード形干渉計は、共振のピーク値の数を計数する方式、あるいは干渉信号の共振周波数を見出す方式によって距離を測定するものが提案されている。前者に属する方式を2例挙げることができる。一つは、篠原,吉田,池田,西出および角(S. Shinohara, H. Yoshida, H. Ikeda, K. Nishide, and M. Sumi)によって提案されている。
この方法は測定距離に広いダイナミックレンジがあり、簡易な構造で比較的高精度が得られているとしてアイイーイーイー トランスアクション アンド メジャメント(IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement) 誌、41巻(1992年)、40〜44ページに記載されている。
他のひとつは菊田, 岩田, 永田(H. Kikuta, K. Iwata, and R. Nagata)によって提案されている。これはレーザダイオードの出力光の波長偏移を使って距離を測定するもので、アプライド オプチック (Applied Optics) 誌、25巻(1986年)、2976〜2980ページに記載されている。
【0006】
一方、後者に属する方式は一例を挙げることができる。これは小林(T. Kobayashi)によって提案されたものであり、ジャパニーズ ジャーナル オブ オプチック(Japanese Journal of Optics)誌、17巻(1988年)、279〜284ページに記載されている。
【0007】
距離の絶対値を測定する方法は菊田, 岩田, 永田( H. Kikuta, K. Iwata, andNagata)によって、アプライド オプチック(Applied Optics)誌、25巻(1986年)、2976〜2980ページに提案された。すなわち、この方法では二つの干渉計を組み合わせたもので、一方の干渉計は参照用、他は目的とする距離を測定するものである。この方法による距離計測法とFFT(FastFourierTransform,高速フーリェ変換)とを組み合わせれば、多重反射をする目的物体に応用することが可能であり、共振周波数の測定精度を向上できる。この組み合わせ法は末松(M.Suematsu)および武田(M.Takeda)によって、アプライドオプチック(AppliedOptics)誌、30巻(1991年)、4046〜4055ページに記載され、公表されている。
【0008】
このように、参照用干渉計を使用すれば、レーザ電流とレーザ周波数変調との関係における不確定性を避けることができる利点がある。しかし、センサシステムとしては構成が複雑になるという欠点がある。
【0009】
一方、蜂屋氏および藤原氏による特開平09−257415号には、移動または振動している被測定物に対して、三角波状に周波数変調されたレーザ光ビーム、ならびにこのレーザ光により位相の遅れたレーザ光ビームを照射し、ビート光を検出して、位置および変位を測定する方法が提案されている。また、金子氏、梅村氏、および越本氏による特開平09−072711号(公開1997年3月18日)にはレーザダイオードとホトダイオードを一体化してピエゾ素子に装着し、観測面に対してピエゾ素子をホトダイオード出力の最低値を中心に揺動させ、ホトダイオード出力の積分値により揺動中心を前記最低値に制御させ、変位を検出する装置が提案されている。
【0010】
さらに、渡辺氏による特開平09−033214号には変調されたレーザダイオード出力の光を対象とするミラーによって反射させて外部共振器を構成し、この外部共振器で得られた干渉信号を利用して測定する方法が提案されている。また西川氏および大野氏による特開平06−129812号(公開1994年5月13日)には、ヘテロダイン干渉計を利用してレーザダイオードの発振波長やビート周波数のゆらぎによる誤差を補正した測長器が提案されている。
上述の特許公開公報では干渉計の手法を採用しているので、精度は目的とする対象に対して得られるが、複雑な構成である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
前述の文献および特許公開公報によって、公知の距離および変位の測定方式では、いずれも一対のレーザ光ビームの位相差を干渉計法により対象物体から求め、この位相差に相当する距離および変位を検出していた。しかし、干渉計の構成が大型になるとともに複雑になり、作業性が劣る上、調整や保守に手間がかかるという欠点があった。さらに、上記各種の方法には次のような欠点がある。
干渉計法により位相差を求めるのに採用されている変調では、変調周波数が光波長の該当周波数に比べて著しく低いため、測定中にパラメータが変化する可能性があり、この変化がサブミクロンオーダの距離の計測に誤差をもたらす。
干渉計において二つのレーザビームを使用するので、光路を構成するハードウェアのパラメータ変化により、測定誤差を生ずる。特に、測定中の微小部分の温度変化や経路変化などの環境変化により、位相差が生じて距離の誤差が生ずる。
【0012】
前記二つのレーザビームの経路が異なるので、見かけ上1本のレーザダイオードの出力光を二つに分けたとしても、数百サイクル〜数千サイクルだけ位相の異なる二つの波を干渉させるため、レーザダイオード内での状態変化に起因する波長変化が誤差となって測定系に入ってくる。
本発明の基本的な目的は、前述の干渉計法にもとづく一般的な欠点、並びにサブミクロンの精密計測を行う場合の特定の欠点を除去することができる、距離・変位計を提供することにある。
本発明のさらに詳細な目的は、1本のレーザダイオードを利用して、その出射光を対象物体に当てると同時に、その光路の途中に半透明ミラーを置いて反射光を得ることにより、オンラインで戻り光をレーザダイオードに内蔵のホトダイオードに入射することにより上記測定系の一般的欠点を除去し、FFT法により対象物***置とミラー位置とを特定することによって、測定系に存在するサブミクロンオーダの誤差を除去することで、前述した特定の欠点を除去することができる二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計は、基本的には、
内部に監視用ホトダイオードを備え、測定用のレーザ光をその前面から放射し、前記測定用のレーザ光またはその一部によって照射され、同一光路上に離れて順次配置された、半透明な第1の外部反射物体および前記第1の外部反射物体を透過した光が照射される第2の外部反射物体からそれぞれ生成された第1の戻り光および第2の戻り光を受光して発振し、この発振情報をその内部後方に設置された前記監視用ホトダイオードに供給するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前方発光面に面して配置され、前記レーザダイオードから出力された光ビームを整列させ平行光を得るためのレンズと、
前記レーザダイオードから前記レンズを介して得られた平行光の一部を反射して対象物体の距離・変位の測定に必要な位相基準の情報を含む前記第1の戻り光を形成するための前記第1の外部反射物体である参照反射器と、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第1の光の伝達空間によって形成され距離・変位情報の参照情報を生成する第1の外部共振器と、
前記参照反射器を通過した光が照射する前記第2の外部反射物体である対象物体と前記レーザダイオードとの間の第2の光伝達空間によって形成され距離・変位情報を生成する第2の外部共振器と、
前記レーザダイオードから対象物体までの距離・変位情報を有する前記第2の戻り光を形成するための前記対象物体と、
前記レーザダイオードに直流電流および変調電流を流して発光を得るためのレーザダイオード駆動装置と、
前記ホトダイオードに接続され、前記ホトダイオードに入力された前記レーザダイオードの発振情報にそれぞれ含まれる前記距離・変位の情報および前記位相基準の情報を解析して前記対象物体の前記距離・変位を求めるための位相演算装置と、
から構成されている。
【0014】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記二重外部共振器は、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第1の光の伝達空間によって形成される第1の外部共振器と、
前記対象物体と前記レーザダイオードとの間の第2の光伝達空間によって形成される第2の外部共振器と
を具備し、かつ、
前記第1の外部共振器と前記第2の外部共振器とは一部に共通の空間を有して同一光路上に形成され、環境条件の変化に起因する誤差を補償することができるように構成することができる。
【0015】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記参照反射器は、
前記レーザダイオードと前記レーザダイオードのレーザ光ビームを照射させる前記対象物体を結ぶ光軸上に沿って、前記レーザダイオードと前記対象物体との間に配置され、かつ、
前記対象物体に十分なレーザ光ビームが照射されるようにその波長において透過率が設定されたものとすることができる。
【0016】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに鋸歯波形電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるための鋸歯波形発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段と、から構成することができる。
【0017】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体に起因する第1および第2の共振信号を前記同一ホトダイオードにより検出し、共通なトリガタイミングによってそれぞれの信号の初期位相が取得されるように構成することができる。
【0018】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体からの共振信号を電子回路によって分離し、それぞれの位相を検出し、演算処理し、かつ位相検出にロックイン位相検出法、信号の時間遅れと信号の周期から位相を求めるパルス計数法を用いることができるように構成することができる。
【0019】
前記二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに任意の変調電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるための変調波発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段とから構成することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。図1は、本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計の基本的な構成を示すブロック図である。ホトダイオード2はレーザダイオード3に内蔵され、本来、レーザダイオード3の出力光を監視して帰還制御するためのものであるが、本発明ではレーザ内の自己混合によって発振された2つの発振出力を外部に取り出すものである。レーザダイオード3の投射経路に配置されている光学系5として非球面レンズが用いられ、レーザダイオード3から出力されたレーザ光をコリメートして平行光線にする役目を有するとともに、参照反射器6および測定の対象である対象物体7からの戻り光をコリメートしてレーザダイオード3にフィードバックする割合を調節するためのものである。信号演算装置1は、ホトダイオード2の出力によって戻り光による共振信号を解析し、対象物体7の位置およびその変位を演算するための電子回路あるいは特有のアルゴリズムを含むコンピュータ装置から構成されている。
【0021】
レーザダイオード駆動装置4はレーザダイオード3に注入電流を与えるためのもので、直流電流と変調信号電流とをレーザダイオード3に与えることができるように構成されている。対象物体7は参照反射器6の後ろに置かれ、その反射光の一部をレーザダイオード3に戻すことができるように調整されている。また、参照反射器6からの戻り光もレーザダイオード3に入射される。レーザダイオードに戻ってきた戻り光とレーザ発振光とによりレーザ共振器内で自己混合が行なわれるが、参照反射器6からの反射光と、対象物体7からの反射光とがレーザダイオード3に入射されると、二重の外部共振器が形成され、それらによって二つの周波数の発振が生ずる。これらの光信号はレーザダイオード3に一体化して集積されたホトダイオード2によって受光される。したがって、これらの発振情報は同時に検出され、A/D変換器を通ってパーソナルコンピュータによって構成された信号演算装置1に入力される。前記のレーザ共振器信号に変位と距離の情報が含まれている。
【0022】
前記構成の装置は二重外部共振器を備えるものである。レーザダイオード3内に実装されたホトダイオード2によって、レーザダイオード3の光出力は監視される。この光出力は4つの反射器から成る複合共振器によって決定される。レーザダイオード3の内部共振器はレーザダイオード内の2つの側壁間に形成され、そのモード周波数間の間隔はレーザダイオードの実効長およびレーザを形成する半導体材料の実効屈折率によって決定される。外部共振器の一つはレーザ外部の参照反射器6と、レーザダイオード3の側壁との間に形成される。さらに他の一つは対象物体7と前記側壁との間に形成される。それぞれの外部共振器に対応するモード周波数間隔は共振器の実効長によって決定される。この実効長はレーザダイオード内部に形成される共振器領域の実効長に比べ、通常、はるかに大きい。
【0023】
外部共振器によって決定されるモード周波数のモード番号が内部共振器によるものの整数倍であるという条件の下では、外部共振器あるいは対象物体からの帰還光ビームの位相は内部共振器によって決定される光ビームの位相と一致するので、外部構造体との間にレーザ共振が得られる。反射器および対象物体からの帰還量がともに小さい場合には、干渉は相互に独立であると考えられる。レーザダイオードの注入電流が外部入力波によって変調されている場合、レーザダイオードの光周波数も外部入力波と同様の形の変調を受ける。電流−周波数の変調が直線関係にある部分を用いることにより、外部共振器による正帰還および負帰還が電流変調に対して周期的に発生する。
【0024】
このレーザ発振周波数は、速度とレーザダイオードから反射器および対象物体までの距離とによって決定され、時間とともに周期的に変化するものである。
図2に外部共振器による共振信号をアナログ回路によって処理する状態を波形とともに示す。
参照反射器6と対象物体7とは、レーザダイオード3からの距離が異なっているので参照反射器6によって構成される共振器と対象物体7によって形成される共振器とは異なった共振周波数を有している。
【0025】
図2に示す注入電流(信号A)は光周波数を変化させるだけではなく、レーザダイオードの全出力光パワーを変化させる。外部共振器による共振信号は、光強度変調に重畳され信号(C)のようになり、この電流は信号が増幅できる範囲を制限する。したがって、増幅の前にこの光強度変調を除去するため、差分回路により変調信号による引き算が行われる(信号D)。この処理によって、信号をさらにディジタル化したり、処理したりすることができるようになっている。
信号(A)の立ち上がりと同期したパルス信号(B)は、タイミングを取るためのトリガとして用いる。
【0026】
共振周波数は外部共振器の長さに比例する。対象物体の距離L2 が参照反射器の距離L1 の関数として次のように与えられる。
L2 =L1 (f2 /f1 ) (1)
前記共振周波数は対象物体の距離L2 を決定するために使用される。ここでf1 、f2 はそれぞれ参照反射器6を含む共振器および対象物体7を含む共振器の共振周波数であり、信号のパワースペクトラムによって検出される。
前記(1)式において、対象物体の距離L2 を決定するための唯一のパラメータは、参照反射器の距離L1 であり、距離L1 を予め校正することができる。したがって、光周波数の変調比対注入電流およびその浮動(変動)は、かかるシステムでは重要ではない。位相情報も共振信号に含まれている。もし、参照反射器と対象物体の距離が変化しないならば、これらの共振は変調信号電流のタイミング(図2の信号B)に正確に一致して発生する。共振のピークは信号の位相成分を表すものであり、対象物体の位置とともに移動する。信号の共振周期は一波長の光路長に相当するものである。対象物体の共振周波数に相当する信号位相をロックイン検出すれば、共振信号の位相からは対象物体までの距離を、光の波長よりもはるかに短い長さの感度で検出することができる。
【0027】
しかしながら、レーザダイオードの動作温度変化や注入電流変化に起因して、光周波数にはノイズとドリフトとが存在する。参照反射器の導入で、位相測定におけるこれらの誤差を減らすことができる。さらに、参照反射器と対象物体による共振信号が同一トリガを使用するため、トリガによる誤差も軽減できる。参照反射器の共振器および対象物体の共振器には同一の光源を使っているので、光周波数の浮動は同一であると考えられる。共振器が長くなればなるほど、位相誤差は大きくなる。もし参照反射器が固く固定されていれば、位相変動は純粋にレーザダイオードの周波数変動によるものであり、対象物体の位相補償を行うため、対象物体距離の参照反射器に対する比の分だけこの周波数変動は帰還される。
すなわち、
φ2'= φ2 −φ1 f2 /f1 (2)
が得られる。ここで、φ2 ,φ2'はそれぞれ補償前と補償後の共振信号の位相であり、φ1 は参照反射器の共振信号の位相である。
【0028】
図2は図1に示した装置の各部の信号を示す説明図である。二重外部共振器の共振信号は、図2に示すようにアナログ処理回路によって前処理される。
すなわち、レーザダイオード駆動装置4の出力は、直流バイアス電流と周期的に変化する鋸歯波形変調信号(A)とがレーザダイオード3に印加される。
ホトダイオード2によって検出された光強度信号は、鋸歯光強度信号上に重畳された二重共振信号(C)であり、光信号から電流信号に変換されたものである。電流変調波を参照して光強度の鋸歯変化分を除去する前に、前記信号電流は電圧信号に変換される。
【0029】
図3は、得られた電圧信号を時間の関数として表したものである。得られた信号は共振情報を含むので、鋸歯波形の立ち上がりに同期したトリガパルスをスタート同期信号として、この信号はA/D変換器によりディジタル化される。トリガパルスの尖頭位置は干渉信号の位相計算の基準となるため、トリガパルスのタイミングは変位・距離測定における位相の計算に重要である。共振周波数と初期位相を求めるのにフーリエ変換手法を使用して、測定データが解析される。共振周波数はパワースペクトラムから容易に取り出すことができる。参照反射器6と対象物体7に相当する一対の共振周波数を読み取れば、対象物体7の距離は前述の第(1)式によって計算することができる。
【0030】
図4に、図2に示した(D)の周波数をフーリエ変換して得られたパワースペクトラムを示す。半導体レーザの注入電流は高速に変調できるので、ここでのサンプリング周波数は、使用するA/D変換器のサンプリング周波数によって決まる。
位相測定には一対の共振周波数におけるフーリエ変換成分を使用するが、この原理はロックインでの位相検出法と同様である。すなわち、一対の共振周波数フーリエ変換での係数を計算して、その実部と虚部から信号の位相を算出する。
【0031】
図5は、フーリエ変換による位相計算法で求められた誤差位相信号と、参照反射器による誤差位相信号の除去を示している。図5(a)の部分は、参照反射器6のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの誤差位相信号、図5(b)の部分は、対象物体7のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの位相誤差信号である。
【0032】
図6は、参照反射器6の位相誤差を参照して求めた対象物体7の位相誤差であり、信号演算装置1において処理を行った後の値を示したものである。
図6では、位相誤差が図5(a),(b)の部分のいずれのものよりも小さくなっていることがわかる。前記の位相測定は時間の関数として行われるので、一対の共振周波数に相当する一対の位相の値が、1回の信号取得と1回のフーリエ解析とによって得られる。したがって、参照反射器6と対象物体7との間の相対変位は、両者の共振器間の位相変化によって与えられる。参照反射器6までの距離が変化しないと仮定すれば、レーザダイオード3の光周波数変動による測定誤差は、前述の第(2)式にしたがって、減少させられる。
【0033】
図7は、図1に示した基本構成をさらに具体化した本発明の第1の実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、対象物体7としてPZTに固定したミラーを使用し、PZTの特性を評価するように構成されている。前述した信号演算装置1に相当する部分は、コンピュータ11と、A/D変換器12と、引き算回路を構成する差動増幅器13から構成されている。レーザダイオード駆動装置4は、ドライバと鋸歯波形発生部14とから成り立つ。
ケーブルを使用することにより、レーザダイオード3と信号演算装置1とを切り離して設置することができる。
レーザダイオード3と、ホトダイオード2と、参照反射器6とによりセンサ部が構成され、センサ部はこれらの要素部品を一体化してまとめたものである。
このようなセンサシステムはコンパクト化を考慮して組み立てたものであり、小形軽量に組み立てることができる。したがって、対象物体7とセンサ部とを一体化して、コンパクトに測定系を構成できる特徴がある。
【0034】
図8は図7に示した装置のミラーの動作の測定例を示すグラフである。この例は、ピエゾ振動子PZTを周波数0.2Hzの三角波駆動電圧で駆動したとき、得られたミラーの変位(振動)を示す。図7の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計で測定して得られたものである。
【0035】
次に、本測定器において信号演算装置1の作用を調べるため、測定した位相の浮動を図9に示す。図9において、(a)は参照反射器6からの反射戻り光によって決定される初期位相、(b)は対象物体7からの反射戻り光によって決定される初期位相、(c)は対象物体7からの戻り光の位相の浮動から参照反射器6からの戻り光の位相の浮動を引き算して得られた結果をそれぞれ表すデータである。これらのデータから、参照反射器6の存在によって測定系の安定性が向上していることがわかる。PZTをナノメータの微小変位させている時には、その動きのヒステリシス特性は無視できる。しかし、大きな範囲にわたって変位させている時には、ヒステリシス特性は顕著となる。
図10は、図7で示すシステムによって計測された印加電圧に対する圧電素子の伸縮を示すもので、ヒステリシス特性が計測されている。
【0036】
図11は、図1に示す基本構成を具体化した本発明の第2の実施形態を示したものである。
図11において、図7に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。図7との相違点は、非球面レンズ5と参照反射器6との間が空間ではなく、光ファイバ20で接続されている点である。レンズ5と参照反射器6との間が空間で供給されている場合には、レンズ5の光軸と参照反射器6の光軸とが合致するように空間配置する必要があるため両者の位置が固定されている。しかし、光ファイバ20により両者間が接続されている場合には、光ファイバ20の可撓性を利用しているため、位置はフレキシブルに移動し得る。
参照反射器は、ファイバ端面あるいはレンズ端面を使用することができる。
【0037】
図12は、本発明による装置の第3の実施形態を部分的に示したものである。図12において、図7に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。図7との相違点は、対物レンズ21を参照反射器6と被測定面である対象物体7との間に挿入してあり、被測定面は光軸に垂直なX軸方向およびY軸方向に機械的にスキャンする構造を有している。X,Y両方向のスキャンは、コンピュータ制御下でステッピングモータあるいは圧電素子搭載ステージにより行われるものである。本実施形態では、対物レンズ21の挿入と、XおよびY軸のスキャンとによって、対象物体の位置を特定しながら観察を続けることにより、対象物体7の三次元形状を良好に観察できるという特徴がある。
【0038】
図13は、本発明による第4の実施形態を部分的に示したものである。図13において、図7に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。
レーザダイオード駆動装置4に備えられた変調信号(鋸歯波形)の振幅は光ファイバ20−iの長さに応じて変化する。また、22は光スイッチ、20−1〜20−nはn本の光ファイバであり、光スイッチの接点位置に応じて光ファイバ20−1〜20−nの一端に装着された参照反射器であり、光ビームを対象物体7に平行に入射させるための距離を変えることにより、異なった参照距離を設定できるので、測定可能距離を変えられる特徴がある。
【0039】
以上詳しく説明した実施形態について本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。
【0040】
【発明の効果】
本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計は、参照反射器を測定系に付加して参照共振器を形成し、これによってレーザダイオードの光周波数漂動に起因する測定誤差を補正できるため、従来、かかる方式では不可能であった絶対距離および数ナノメータの変位を安定に測定できる。しかも測定系にレーザ共振器を含んでいるため、1mm以下の精度で数メータの距離まで安定に測定できる。また、参照反射器によって構成される参照共振器の使用により位相誤差を減ずることができる。
これによって、このレーザダイオード式距離・変位計を各種の用途に適用させることができ、ロボットセンサ、機械加工制御、伸縮の監視、および表面粗さ計測などに使用できると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計の基本的な実施形態を示すブロック図である。
【図2】図1の実施形態の概略動作を説明するための主要回路部と波形図である。
【図3】引き算回路の出力電圧信号を時間の関数として表したグラフである。
【図4】図2に示した(D)の周波数をフーリエ変換して得られたパワースペクトラムを示す。
【図5】フーリエ変換による位相計算法で求められた誤差位相信号と、参照反射器による誤差位相信号の除去を示し、同図(a)の部分は、参照反射器のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの誤差位相信号、同図(b)の部分は対象物体のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたときの位相誤差信号である。
【図6】図6は、参照反射器の位相誤差を参照して求めた対象物体の位相誤差を示すグラフである。
【図7】図1で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第1の実施形態を示すブロック図である。
【図8】図7の実施形態において、PZTでミラーを変位させたときの変位の測定出力のグラフである。
【図9】本測定器において信号演算装置の作用を調べるため測定した位相の浮動を示す図であって、同図の(a)は参照反射器6からの反射戻り光によって決定される初期位相、(b)は対象物体からの反射戻り光によって決定される初期位相、(c)は対象物体7からの戻り光の位相の浮動から参照反射器6からの戻り光の位相の浮動を、引き算して得られた結果をそれぞれ表すグラフである。
【図10】図7で示すシステムによって計測された印加電圧に対する圧電素子の伸縮を示すもので、ヒステリシス特性が計測されている。
【図11】図1で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第2の実施形態を示すブロック図である。
【図12】図1で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第3の実施形態を示すブロック図である。
【図13】図1で示した基本構成をさらに具体化した本発明の第4の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 信号演算装置
2 ホトダイオード
3 レーザダイオード
4 レーザダイオード駆動装置
5 レンズ(非球面レンズ)
6 参照反射器
7 対象物体
11 コンピュータ(PC)
12 A/D変換器
13 差動増幅器
14 鋸歯波形発生部
20 光ファイバ
21 対物レンズ
22 光スイッチ
Claims (7)
- 内部に監視用ホトダイオードを備え、測定用のレーザ光をその前面から放射し、前記測定用のレーザ光またはその一部によって照射され、同一光路上に離れて順次配置された、半透明な第1の外部反射物体および前記第1の外部反射物体を透過した光が照射される第2の外部反射物体からそれぞれ生成された第1の戻り光および第2の戻り光を受光して発振し、この発振情報をその内部後方に設置された前記監視用ホトダイオードに供給するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前方発光面に面して配置され、前記レーザダイオードから出力された光ビームを整列させ平行光を得るためのレンズと、
前記レーザダイオードから前記レンズを介して得られた平行光の一部を反射して対象物体の距離・変位の測定に必要な位相基準の情報を含む前記第1の戻り光を形成するための前記第1の外部反射物体である参照反射器と、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第1の光の伝達空間によって形成され距離・変位情報の参照情報を生成する第1の外部共振器と、
前記参照反射器を通過した光が照射する前記第2の外部反射物体である対象物体と前記レーザダイオードとの間の第2の光伝達空間によって形成され距離・変位情報を生成する第2の外部共振器と、
前記レーザダイオードから対象物体までの距離・変位情報を有する前記第2の戻り光を形成するための前記対象物体と、
前記レーザダイオードに直流電流および変調電流を流して発光を得るためのレーザダイオード駆動装置と、
前記ホトダイオードに接続され、前記ホトダイオードに入力された前記レーザダイオードの発振情報にそれぞれ含まれる前記距離・変位の情報および前記位相基準の情報を解析して前記対象物体の前記距離・変位を求めるための位相演算装置と、
から構成した二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。 - 請求項1記載の二重外部共振器つきレーザダイオード距離・変位計において、
前記二重外部共振器は、
前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第1の光の伝達空間によって形成される第1の外部共振器と、
前記対象物体と前記レーザダイオードとの間の第2の光伝達空間によって形成される第2の外部共振器とを具備し、かつ、
前記第1の外部共振器と前記第2の外部共振器とは一部に共通の空間を有して同一光路上に形成され、環境条件の変化に起因する誤差を補償することができるように構成したことを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。 - 請求項1記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器は、
前記レーザダイオードと前記レーザダイオードのレーザ光ビームを照射させる前記対象物体を結ぶ光軸上に沿って、前記レーザダイオードと前記対象物体との間に配置され、かつ、
前記対象物体に十分なレーザ光ビームが照射されるようにその波長において透過率が設定されたものであることを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。 - 請求項1記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに鋸歯波形電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な 情報を与えるための鋸歯波形発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段と、から構成したことを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。 - 請求項1記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体に起因する第1および第2の共振信号を前記同一ホトダイオードにより検出し、共通なトリガタイミングによってそれぞれの信号の初期位相が取得されることを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。 - 請求項1に記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記参照反射器と前記対象物体からの共振信号を電子回路によって分離し、それぞれの位相を検出し、演算処理し、かつ位相検出にロックイン位相検出法、信号の時間遅れと信号の周期から位相を求めるパルス計数法を用いることを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。 - 請求項1記載の二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計において、
前記レーザダイオード駆動装置は、
前記レーザダイオードに任意の変調電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるための変調波形発生部と、
前記レーザダイオードに直流電流を供給するための直流源と、
前記レーザダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つためのレーザ電流安定化手段とから構成した二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000151435A JP4545882B2 (ja) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | 二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000151435A JP4545882B2 (ja) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | 二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001330669A JP2001330669A (ja) | 2001-11-30 |
JP4545882B2 true JP4545882B2 (ja) | 2010-09-15 |
Family
ID=18656996
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000151435A Expired - Fee Related JP4545882B2 (ja) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | 二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4545882B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102506721A (zh) * | 2011-11-07 | 2012-06-20 | 中南大学 | 一种基于激光的变形位移量测方法 |
CN104897064A (zh) * | 2015-06-09 | 2015-09-09 | 张白 | 一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法 |
Families Citing this family (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7317513B2 (en) * | 2004-07-15 | 2008-01-08 | Mitutoyo Corporation | Absolute distance measuring device |
JP2006170740A (ja) * | 2004-12-15 | 2006-06-29 | Kenwood Corp | 変位検出装置、マイクロフォン装置、および、変位検出方法 |
JP5497973B2 (ja) * | 2005-07-06 | 2014-05-21 | アズビル株式会社 | 状態検出装置 |
JP2006322912A (ja) * | 2005-09-07 | 2006-11-30 | Yamatake Corp | レーザ測長器およびレーザ測長方法 |
JP2007147369A (ja) * | 2005-11-25 | 2007-06-14 | Yamatake Corp | レーザ測長器 |
JP5354706B2 (ja) * | 2006-02-01 | 2013-11-27 | アズビル株式会社 | レーザ測長器 |
JP5354707B2 (ja) * | 2006-02-01 | 2013-11-27 | アズビル株式会社 | レーザ装置 |
JP5461761B2 (ja) * | 2006-11-15 | 2014-04-02 | アズビル株式会社 | 距離・速度計および距離・速度計測方法 |
JP5612240B2 (ja) * | 2007-01-11 | 2014-10-22 | アズビル株式会社 | 距離計および距離計測方法 |
JP5184785B2 (ja) * | 2007-01-17 | 2013-04-17 | アズビル株式会社 | 距離計および距離計測方法 |
JP5484661B2 (ja) * | 2007-07-10 | 2014-05-07 | アズビル株式会社 | 物理量センサおよび物理量計測方法 |
FI122454B (fi) * | 2009-08-27 | 2012-01-31 | Outotec Oyj | Menetelmä ja laitteisto kuljetinhihnalla kuljetettavan materiaalipatjan pinnankorkeuden mittaamiseksi |
DE102010044245B3 (de) * | 2010-09-02 | 2011-12-29 | Krohne Messtechnik Gmbh | Demodulationsverfahren |
CN104236464B (zh) * | 2014-09-04 | 2017-03-22 | 宁波舜宇智能科技有限公司 | 一种激光振动、位移传感器及其测量方法 |
JP7167410B2 (ja) * | 2018-07-11 | 2022-11-09 | ミネベアミツミ株式会社 | レーザ測長器 |
JP7284652B2 (ja) * | 2018-08-23 | 2023-05-31 | 株式会社ミツトヨ | 測定装置および測定方法 |
EP3799231B9 (en) * | 2019-09-27 | 2024-04-24 | ams International AG | Optical device, photonic detector, and method of manufacturing an optical device |
CN112578391B (zh) * | 2020-11-03 | 2022-08-02 | 上海航天控制技术研究所 | 高精度星间测距***的地面验证***及方法 |
CN113720273B (zh) * | 2021-09-01 | 2023-09-22 | 沈阳理工大学 | 一种基于激光轮廓扫描的壁板类工件检测装置及检测方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07501401A (ja) * | 1991-11-27 | 1995-02-09 | ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション | レーザダイオード距離測定装置 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS57211507A (en) * | 1981-06-24 | 1982-12-25 | Fujitsu Ltd | Measuring method for distance |
JPS5948668A (ja) * | 1982-09-13 | 1984-03-19 | Jiro Koyama | 光フアイバ速度計 |
JPS61191903A (ja) * | 1985-02-20 | 1986-08-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 位置変化量検出装置 |
JP2885807B2 (ja) * | 1988-10-21 | 1999-04-26 | 東京航空計器株式会社 | 距離検出装置 |
JPH0520725A (ja) * | 1991-07-11 | 1993-01-29 | Sony Corp | 光ピツクアツプ装置 |
JP3454870B2 (ja) * | 1993-08-10 | 2003-10-06 | オリンパス光学工業株式会社 | 光学式変位センサ |
JP2852190B2 (ja) * | 1994-09-02 | 1999-01-27 | 浜松ホトニクス株式会社 | 微小位置測定装置 |
JP2560260B2 (ja) * | 1994-10-05 | 1996-12-04 | 科学技術庁防災科学技術研究所長 | レーザひずみ計 |
JP3738457B2 (ja) * | 1994-12-05 | 2006-01-25 | 株式会社ニコン | 干渉測定装置及び干渉測定方法 |
JPH11287859A (ja) * | 1998-03-31 | 1999-10-19 | Suzuki Motor Corp | レーザ距離計 |
-
2000
- 2000-05-23 JP JP2000151435A patent/JP4545882B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07501401A (ja) * | 1991-11-27 | 1995-02-09 | ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション | レーザダイオード距離測定装置 |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102506721A (zh) * | 2011-11-07 | 2012-06-20 | 中南大学 | 一种基于激光的变形位移量测方法 |
CN102506721B (zh) * | 2011-11-07 | 2014-05-28 | 中南大学 | 一种基于激光的变形位移量测方法 |
CN104897064A (zh) * | 2015-06-09 | 2015-09-09 | 张白 | 一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法 |
CN104897064B (zh) * | 2015-06-09 | 2018-06-01 | 张白 | 一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001330669A (ja) | 2001-11-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4545882B2 (ja) | 二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計 | |
Donati | Developing self‐mixing interferometry for instrumentation and measurements | |
Donati et al. | Overview of self-mixing interferometer applications to mechanical engineering | |
US7305158B2 (en) | Interferometric signal conditioner for measurement of absolute static displacements and dynamic displacements of a Fabry-Perot interferometer | |
KR100486937B1 (ko) | 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기와 이를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정 및 보정시스템 | |
JP4613351B2 (ja) | 位置決め機構 | |
JP2007040994A (ja) | 干渉計測システム | |
JP2008513804A (ja) | モード選択同調器からの光フィードバック | |
WO2012049561A1 (en) | A method of measuring a displacement-related parameter using a laser self-mixing measuring system, and a laser self-mixing measuring system | |
Servagent et al. | Design of a phase-shifting optical feedback interferometer using an electrooptic modulator | |
CN114964352A (zh) | 激光干涉仪 | |
KR20130058000A (ko) | 물리적 파라미터의 광학적 측정 장치 | |
GB2509105A (en) | Mechanical resonator sensor | |
US5808743A (en) | Laser sensor using optical feedback-induced frequency modulation | |
US5598264A (en) | Noise compensated interferometric measuring device and method using signal and reference interferometers | |
JPH09113217A (ja) | 光ヘテロダイン式変位量検出装置 | |
JP2007132932A (ja) | 位置測定装置及び位置測定装置を作動させる方法 | |
Donati et al. | Applications of diode laser feedback interferometry | |
JP5654837B2 (ja) | 変位測定装置 | |
Pachisia et al. | Multiple reflection assisted Laser Doppler Vibrometer setup for high resolution displacement measurement | |
US5555470A (en) | Single wave linear interferometric force transducer | |
Bosch et al. | A displacement sensor for spectrum analysis using the optical feedback in a single-mode laser diode | |
JP5088915B2 (ja) | 変位測定装置 | |
KR101085061B1 (ko) | 고속카메라와 연속위상주사 방법을 이용한 진동둔감 간섭계 | |
Hauptmann et al. | Silicon resonator sensor systems using self-mixing interferometry |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070427 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090806 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100406 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100607 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100622 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100701 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130709 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |