JPH01185474A - レーザ測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＸ−Ｙステージなど錆密に位置・決めを行なう
装置において測長を行なうレーザ測長装置に関する。

（従来の技術〕 従来のレーザ測長装置は単一波長または２周波レーザ光
を用い、測定光と基準光との干渉による縞移動変化から
被測定物の変位量を計測していた。

第３図は上述したレーザ測長装置のブロック図、第４図
は縞移動変化を示す図である。

ごのレーザ測長装置はＨｅ−Ｎｅなどの単一周波レーザ
光２１を発射し、ビームスプリッタ２２で参照鏡２：１
と移動ステージ３１（ステージモータ３２で駆動される
）土の移動鏡２４に２分し、参照鏡２３および移動鏡２
４て反射してきた光をビームスプリッタ２２でミキシン
グし分割ミラー２５で分割した後受光器２６．２７で検
出し、プリアンプ２８により第３図に示すような９０°
の位相差の出力を得、該出力を可逆カウンタ２９てカウ
ントし、　ＣＰｔＪ　３０で移動ステージ３１の移動量
を演算するものである。

（発明が解決しようとする課題〕 上述した従来のレーザ測長装置は、単一周波数レーザ光
または２周波レーザ光を用い被測定物の移動量を変位と
して計測しており検出される信号はステージ移動に伴な
うくり返し信号でありインクリメンタルな変位計測であ
るため、たとえば、なんらかの障害物か゛光路中を瞬時
たりとも通過した場合、その時点で被測定物の位置情報
が失われるという欠点かあり、さらにＨｅ−Ｎｅなと比
較的大きな形状のガスレーザを用い、また光学系も複雑
になるため装置が大型化し、かつ高価になるという欠点
がある。

本発明の目的は、被測定物の絶対位置を検出でき、従っ
て外乱の影Δに強いレーザ測長装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のレーザ測長装置は、 半導体レーザを用い直線的に周波数変調したレーザ光を
放射し、被測定面で反射して来たレーザ光と基準光路を
通るレーザ光をミキシングしてビート信号を検出する装
置と、 基準光路長を微小範囲で連続的に変化させビート信号の
位相変調をかける装置と、 前記ビート信号の周波数を計測する装置と、複数個の周
波数データから、その平均周波数を演算し、平均周波数
データより被測定物までの距離を演算するか、複数個の
各周波数データから被測定物までの距離を演算し、これ
ら複数の距離データの平均値を演算する装置を有する。

〔作用〕

ビート信号の周波数には、後述の　（３）式かられかる
ように測定光路差の距離情報が含まれているので、障害
物か光路中に入っても、通過後にはビート信号が得られ
るので、計測が維続できる。

また、この時発生する量子化誤差についてはピエゾ素子
等を用い基準光路長をわずかに変えビート信号に位相変
調をかけ、統計的に平均化処理を行なうことにより、軽
減することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明のレーザ測長装置の一実施例のブロック
図、第２図はピエゾ素子７の移動周期と半導体レーザ２
の周波数、受光器９の出力の関係を示す図である。

本実施例は、半導体レーザ２と、半導体レーザ２の出射
光を直線的に周波数変調する周波数変調回路１と、レー
ザ光をコリメートするコリメータレンズ３と、参照鏡５
と、ステージ移動用モータＸ５で駆動される移動ステー
ジ１４上に設けられた移動鏡６と、参照鏡５を連続的に
レーザ光の局波長程度の振幅で変化させるピエゾ素子７
と、ピエゾ素子７を駆動するピエゾ駆動装置８と、レー
ザ光を参照鏡Ｓ用、移動鏡６用へと２分し、また反射光
をミキシングするためのビームスプリッタ４と、ミキシ
ングにより生じるビート信号を検出する受光器９と、ビ
ート信号の波数を計測する波数計数回路ＩＯと、波数デ
ータより距離演算を行なう距離演算回路１１と、複数個
の距離データの平均化演算を行なう平均化回路１２と、
出力回路１３とて構成されている。

次に、本実施例の動作について説明する。

なお、初めにピエゾ素子７は動作させず参照鏡５は固定
されているものとする。

半導体レーザ２は周波数か急激に変化するモードホップ
を起こさない周波数範囲内（約０．１％以下）であれば
注入電流に比例して周波数を変化させることができる。

すなわち注入電流を直線的に変化させれば（実際には第
２図（２）に示すように３角波状に変化させる）次式（
１）で示される周波数ｆの周波数変調された光が半導体
レーザ１から出てくる。

ｆ＝　ｆ０＋　ｆ−ｔ　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・（１）ただし、ｆｏは変調開始点のレーザ光周
波数、ｆは周波数変化率、ｔは時間 今、半導体レーザ２からコリメータレンズ３を通りビー
ムスプリッタ４で９０°方向が曲げられ、参照鏡５に当
たり反射されビームスプリッタ４を通り受光器７に到る
基準光と、ビームスプリッタ４をｉＪ！ＩＩ遇し！多動
鏡６に当たり反射されビームスプリッタ４で９０°方向
に曲げられ受光器９に到る測足先をミキシンクすること
により受光器９で得られる交流の電気信号■は次式（２
）のようになる。

■＝にｃｏｓ　（４ｙｒ−Ｒ／λ＋４ｆＲｔ／ｃ）　・
・・（２）たたし、Ｋは定数、Ｒは測定光路差、 λは周波数ｆの時の波長、Ｃは光速 （２）式の第２項がビート信号を表わし、ビート周波数
ｆｂは次式（３）で表される。

ｆｂ＝　２Ｒ−ｆ／ｃ　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・（３）今、最大周波数偏位をΔＦ、変調周期
を２Ｔｍ　（第２図（２）参照）とし、この変調期間Ｔ
ｍのビート信号の波数をｎとすれば周波数ｆｂは次式（
４）で表わされる。

ｆｂ＝ｎ／Ｔｍ　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（４）［はΔＦ／Ｔｒｎであり、また（３）　
、　（４）式から測定距離Ｒは（５）式で表わされる。

Ｒ＝　（ｃ−ｎ）／（２・ΔＦ）−・−−−−・−−−
・（５）波数計数回路ｌＯでは変調期間Ｔ［［ｌにおけ
るビート信号の波数ｎを求め、距離演算回路ｌｌでは　
（５）式から測定距離Ｒを求める。しかし、上述のｎは
土層の量子誤差があり、このままでは測定距＠ＲにＣ／
（４ΔＦ）のステップ誤差が生じる。

この対策としてはピエゾ素子７についた参照鏡５を、第
２図（１）に示すように、％波長程度の振幅で変調周期
２７ｍに対して十分に長い周１…で直線的に（あるいは
ステップ状に）動がし、ビート信号に位相変調をかけ、
この間距離測定をくり返す。

平均化回路１２では参照鏡５の一往復移動する間に得ら
れる距離データの平均をとり、出力回路１３を通して外
部に距離データを出力する。

今、参照鏡５の一往復移動時にｍ個の距離データが得ら
れるものとすれば平均化によりその誤差は統計的には１
／ｆｉに減らすことかできる。その理由は、統計におけ
る一般論になるか、ｍ個のデータを算術平均をした場合
平均値の正確度は、各データの誤差分布が正規分布をす
ると考えれば５倍上がるからである。

（発明の効果〕 以−ヒ説明したように本発明は、小型の半導体レーザを
用い、かつ直線的に周波数変調したレーザ光を用い、距
離に比例したビート信号の周波数測定を行なうと共に、
この時に発生する量子化誤差であるステップ誤差に対し
てはピエゾ素子等により参照鏡をレーザ光の％波長程度
微小に動かしビート信号に位相変調をかけ、周波数デー
タより演算した距離データの複数のデータを統計的に平
均化処理し出力することにより、高精度な距離測定が行
なえ、また従来例で述べたような変位測定方法ではなく
絶対距離測定方法のため、たとえ障害物が光路中を一時
的に通過しても通過後は精密な測定ができ、さらには光
学系も比較的簡単であり、小型かつ安価な測長器を提供
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ測長装置の一実施例のブロック
図、第２図はピエゾ素子７の移動周期と半導体レーザ２
の周波数、受光器９の出力の関係を示す図、第３図は従
来例のブロック図、第４図は縞移動変化を示す図である
。 １・・・周波数変調回路、 ２・・・半導体レーザ、 ３・・・コリメータレンズ、 ４・・・ビームスプリッタ、 ５・・・参照鏡、 ６・・・移動鏡、 ７・・・ピエゾ素子、 ８・・・ピエゾ駆動装置、 ９・・・受光器、 １０・・・波数計数回路、 １１・・・距離演算回路、 １２・・・平均化回路、 １３・・・出力回路、 １４・・・移動ステージ、 １５・・・ステージ移動用モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザを用い直線的に周波数変調したレー
   ザ光を放射し、被測定面で反射して来たレーザ光と基準
   光路を通るレーザ光をミキシングしてビート信号を検出
   する装置と、 基準光路長を微小範囲で連続的に変化させ、ビート信号
   に位相変調をかける装置と、 前記ビート信号の周波数を計測する装置と、複数個の周
   波数データから、その平均周波数を演算し、平均周波数
   データより被測定物までの距離を演算するか、複数個の
   各周波数データから被測定物までの距離を演算し、これ
   ら複数の距離データの平均値を演算する装置とを有する
   レーザ測長装置。