JPH01187406A - 等間隔干渉縞の位置検出法ならびに位置検出装置 - Google Patents
等間隔干渉縞の位置検出法ならびに位置検出装置Info
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- JPH01187406A JPH01187406A JP1230488A JP1230488A JPH01187406A JP H01187406 A JPH01187406 A JP H01187406A JP 1230488 A JP1230488 A JP 1230488A JP 1230488 A JP1230488 A JP 1230488A JP H01187406 A JPH01187406 A JP H01187406A
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- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
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。
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」
本発明は等間隔干渉縞の位置または移動量を高精度に求
めるための方法ならびに測定装置に関する。
めるための方法ならびに測定装置に関する。
「従来技術」
干渉縞の位相の高精度検出法としては、1)干渉する2
つの光波の周波数を僅かにずらせてそれらのビート信号
を検出し、参照信号と比較して光の位相を求めるヘテロ
ゲイン法、2)干渉計の参照面を既知の量ずつ移動しそ
の動きに同期した正弦、余弦信号を用いて光の位相を求
める位相シフト法、および3)干渉計の参照面を振動さ
せる検出光の振幅が最大になるように参照面の平均位置
にフィードバックをかけるフエイズリッタ法などがすで
に良く知られている。これら3つの方法は、光検出信号
の処理装置のほかに、光源や光変調器などを高精度に駆
動する機構が必要となる。最近になり、一定形状の干渉
縞パターンの明暗の変化を複数個の受光素子で検出し、
その信号を処理して光の位相を精度良く求める手法が提
案されている。それらの代表的なものは、1)干渉縞の
1周期内で4個の検出素子を配置し、それら2素子間の
差の信号を処理するものや、2)複数周期にわたる検出
信号のフーリエ積分値を利用するもの、3)複数個の光
検出素子を電気的にスイッチングして得られる時間信号
の位相を求めるものなどがある。
つの光波の周波数を僅かにずらせてそれらのビート信号
を検出し、参照信号と比較して光の位相を求めるヘテロ
ゲイン法、2)干渉計の参照面を既知の量ずつ移動しそ
の動きに同期した正弦、余弦信号を用いて光の位相を求
める位相シフト法、および3)干渉計の参照面を振動さ
せる検出光の振幅が最大になるように参照面の平均位置
にフィードバックをかけるフエイズリッタ法などがすで
に良く知られている。これら3つの方法は、光検出信号
の処理装置のほかに、光源や光変調器などを高精度に駆
動する機構が必要となる。最近になり、一定形状の干渉
縞パターンの明暗の変化を複数個の受光素子で検出し、
その信号を処理して光の位相を精度良く求める手法が提
案されている。それらの代表的なものは、1)干渉縞の
1周期内で4個の検出素子を配置し、それら2素子間の
差の信号を処理するものや、2)複数周期にわたる検出
信号のフーリエ積分値を利用するもの、3)複数個の光
検出素子を電気的にスイッチングして得られる時間信号
の位相を求めるものなどがある。
「発明が解決しようとする問題点」
前記1)の手法は1周期内の光検出を行うために、光強
度のゆらぎ、光検出素子の雑音などの影響を受は易く、
また縞周期と検出素子間隔の不整合などにより、測定精
度があまり上がらない。前記2)の手法は測定精度は良
いがフーリエ積分値の計算に時間がかかり、高速測定に
向かない。3)の手法は、光検出素子間のスイッチング
や時間信号のフィルタリングなど複雑な信号処理回路が
必要である。そこで本発明では、精度が高くしかも高速
に光の位相検出を行える方法ならびに検出装置を提供す
ることを目的とする。
度のゆらぎ、光検出素子の雑音などの影響を受は易く、
また縞周期と検出素子間隔の不整合などにより、測定精
度があまり上がらない。前記2)の手法は測定精度は良
いがフーリエ積分値の計算に時間がかかり、高速測定に
向かない。3)の手法は、光検出素子間のスイッチング
や時間信号のフィルタリングなど複雑な信号処理回路が
必要である。そこで本発明では、精度が高くしかも高速
に光の位相検出を行える方法ならびに検出装置を提供す
ることを目的とする。
「問題を解決するための手段」
上記の目的は、以下の発明によって達成される。
被測定対象物からの物体光と、受光素子上の距離に比例
して光の位相が変化する参照光とを干渉させて、等間隔
で直線状の干渉縞を形成する。この干渉縞は光の位相変
化に対応して縞が横移動する。
して光の位相が変化する参照光とを干渉させて、等間隔
で直線状の干渉縞を形成する。この干渉縞は光の位相変
化に対応して縞が横移動する。
この縞の1/4周期毎の光強度を複数周期にわたって検
出し、縞の位相が0.1/2π、π、3/2πだけずれ
た光強度の和を求め、それら4個の信号のうち少なくと
も3つを用いて和および差を求めると、光の位相を変数
とした正弦、余弦信号が求まる。この正弦、余弦信号の
逆正接を求めると光の位相が計算できる。また精度は落
ちるが簡単な信号処理法としては、ロータリーエンコー
ダーなどで行われている方法を使うことができる。光検
出素子の和または差から得られた正弦、余弦信号を用い
て一定間隔の位相成分を持つ複数の信号を求め、波形整
形して方形波にした後、それらのパルス数を数えること
により縞の移動を求めることができる。以上が特許請求
の範囲の(1)〜(6)項に対応する。
出し、縞の位相が0.1/2π、π、3/2πだけずれ
た光強度の和を求め、それら4個の信号のうち少なくと
も3つを用いて和および差を求めると、光の位相を変数
とした正弦、余弦信号が求まる。この正弦、余弦信号の
逆正接を求めると光の位相が計算できる。また精度は落
ちるが簡単な信号処理法としては、ロータリーエンコー
ダーなどで行われている方法を使うことができる。光検
出素子の和または差から得られた正弦、余弦信号を用い
て一定間隔の位相成分を持つ複数の信号を求め、波形整
形して方形波にした後、それらのパルス数を数えること
により縞の移動を求めることができる。以上が特許請求
の範囲の(1)〜(6)項に対応する。
特許請求の範囲の(7)項は、以下のように光強度フィ
ルターを用いるものである。検出する等間隔干渉縞と同
じ周期および正弦波状の光透過特性を有し、その周期が
それぞれ1/4周期ずれた光強度フィルターに等間隔干
渉縞の検出光を透過させる。それぞれの光強度フィルタ
ーを透過した光を積分するために4個の大面積検出素子
を用いるとそれらからの信号は、光の位相が1/2πず
つずれた信号になる。したがってこの4つの信号のうち
少なくとも3つの信号を用いることによって、光の位相
を高精度に検出することができる。
ルターを用いるものである。検出する等間隔干渉縞と同
じ周期および正弦波状の光透過特性を有し、その周期が
それぞれ1/4周期ずれた光強度フィルターに等間隔干
渉縞の検出光を透過させる。それぞれの光強度フィルタ
ーを透過した光を積分するために4個の大面積検出素子
を用いるとそれらからの信号は、光の位相が1/2πず
つずれた信号になる。したがってこの4つの信号のうち
少なくとも3つの信号を用いることによって、光の位相
を高精度に検出することができる。
「作 用」
本発明を図面を用いて更に説明する。第1図には等間隔
干渉縞の光強度I (x)を示した。ここでXは空間距
離である。この等間隔干渉縞の光強度はI (x)=a
+bcos (x+θ)と書くことができる。ここで簡
単のためにバイアス項aと変調項すはXに対して定数で
あるとする。さらに縞の1周期をAとすると第1図に示
したΔ/4ごとの光強度は、■、=a+bcos (θ
)、l2=a−bsin(θ)、 I3 =a−bco
s(θ)、1、=a+bsin (θ)となる。これは
A/4=π/2が成立するからである。したがって、こ
れら4つの信号の差を求めると、II 13−2b
cos(θ)=Dll、14−12 = 2 b s
i n(θ)−D42となり、バイアス成分の除去され
た正弦、余弦信号が求められる。したがって、これら差
の信号の逆正接を求めると次のように光の位相θが求め
られる。θ= j a n−’ (D42/ DI3)
。
干渉縞の光強度I (x)を示した。ここでXは空間距
離である。この等間隔干渉縞の光強度はI (x)=a
+bcos (x+θ)と書くことができる。ここで簡
単のためにバイアス項aと変調項すはXに対して定数で
あるとする。さらに縞の1周期をAとすると第1図に示
したΔ/4ごとの光強度は、■、=a+bcos (θ
)、l2=a−bsin(θ)、 I3 =a−bco
s(θ)、1、=a+bsin (θ)となる。これは
A/4=π/2が成立するからである。したがって、こ
れら4つの信号の差を求めると、II 13−2b
cos(θ)=Dll、14−12 = 2 b s
i n(θ)−D42となり、バイアス成分の除去され
た正弦、余弦信号が求められる。したがって、これら差
の信号の逆正接を求めると次のように光の位相θが求め
られる。θ= j a n−’ (D42/ DI3)
。
一般的には光の干渉縞は、特殊な光学配置をとらない縞
の間@Aは一定とはならず変化し、またバイアス成分a
や変調成分すも一定とはならず、上で述べた演算は使え
ない。本発明では、光学系を工夫することにより縞の周
期が一定の干渉縞を形成し、さらにその複数周期にわた
る光検出を行うことにより、縞の強度変動の影響や電気
雑音の影響を低減し、精度の高い光位相の検出を可能に
するものである。上で述べた演算を複数周期にわたって
検出した光強度に対して行うものが、特許請求の範囲の
第(2)項に掲載した手法である。
の間@Aは一定とはならず変化し、またバイアス成分a
や変調成分すも一定とはならず、上で述べた演算は使え
ない。本発明では、光学系を工夫することにより縞の周
期が一定の干渉縞を形成し、さらにその複数周期にわた
る光検出を行うことにより、縞の強度変動の影響や電気
雑音の影響を低減し、精度の高い光位相の検出を可能に
するものである。上で述べた演算を複数周期にわたって
検出した光強度に対して行うものが、特許請求の範囲の
第(2)項に掲載した手法である。
さらに3つの信号を用いても正弦、余弦信号を求めるこ
とができる。第1図に示した光強度から正弦、余弦成分
を求必る方法を以下に述べる。簡単な計算から以下の4
つの場合があることがわかる。
とができる。第1図に示した光強度から正弦、余弦成分
を求必る方法を以下に述べる。簡単な計算から以下の4
つの場合があることがわかる。
S=I+ −12=J「bs in (θ+π/4)
C=I2 −I3 =J「bcos (θ+π/4)
S= 14 I3 = 5 b s i n (
θ+π/4)C−I2−I3 =Nl彊−bcos (
θ十π/4)S−I4 I3 = 5 b s
ln (θ+π/4)C−II 14 = J「
b c o s (θ+π/4)S = I +
I 2 = 5 b s ln (θ+π/4)C=
1 + −14= 5 b c o s (θ+π
/4)以上の式から4つの光強度の内任意の3つの位相
における光強度を用いることにより正弦、余弦信号を求
められることがわかる。したがってこれら正弦、余弦信
号からの光の位相θを高精度に求めることができる。こ
れが特許請求の範囲第(3)項に記載の方法である。
C=I2 −I3 =J「bcos (θ+π/4)
S= 14 I3 = 5 b s i n (
θ+π/4)C−I2−I3 =Nl彊−bcos (
θ十π/4)S−I4 I3 = 5 b s
ln (θ+π/4)C−II 14 = J「
b c o s (θ+π/4)S = I +
I 2 = 5 b s ln (θ+π/4)C=
1 + −14= 5 b c o s (θ+π
/4)以上の式から4つの光強度の内任意の3つの位相
における光強度を用いることにより正弦、余弦信号を求
められることがわかる。したがってこれら正弦、余弦信
号からの光の位相θを高精度に求めることができる。こ
れが特許請求の範囲第(3)項に記載の方法である。
さらに4つの光強度すべてを用いても正弦、余弦信号を
求めることができる。以下の計算をおこなうと、 S= II + 14 (I2 + I3
)= 2 Jr b s i n (θ十π/4)C=
II + Ia (12+ 14 )= 2
h b c o s (θ十π/4)となり正弦Sお
よび余弦Cの信号を求めることができ、これから光の位
相θが高精度に求められる。
求めることができる。以下の計算をおこなうと、 S= II + 14 (I2 + I3
)= 2 Jr b s i n (θ十π/4)C=
II + Ia (12+ 14 )= 2
h b c o s (θ十π/4)となり正弦Sお
よび余弦Cの信号を求めることができ、これから光の位
相θが高精度に求められる。
これが特許請求の範囲第(4)項に記載の方法である。
以上述べてきた演算方法は以下に示す具体的な光検出装
置により可能となる。
置により可能となる。
「実施例1」
特許請求の範囲第(5)項に記載のように、検出する等
間隔干渉縞の1周期の174ごとに配置された複数個の
光検出素子PD、、、 PD12. PD13゜PDI
4.・・・P D、、、により、光の位相検出を行うこ
とができる。第2図には特許請求の範囲第(2)項記載
の信号処理法を使った縞の位相検出装置を示した。4個
のフォトダイオードで等間隔干渉縞の1周期になるよう
に干渉縞の周期を調節し、各素子を4個おきに結線する
。この結線した4個の信号は順番に位相がπ/2だけず
れたIt 、I2 、I3 、I4 に対応する。した
がって差動増幅器OP、、○P2 によりII I3
、I< I2 を求めそれらの余弦、正弦信号か
らマイクロプロセッサ−MPなどにより逆正接を求める
ことにより、光の位相θを高精度に求めることができる
。
間隔干渉縞の1周期の174ごとに配置された複数個の
光検出素子PD、、、 PD12. PD13゜PDI
4.・・・P D、、、により、光の位相検出を行うこ
とができる。第2図には特許請求の範囲第(2)項記載
の信号処理法を使った縞の位相検出装置を示した。4個
のフォトダイオードで等間隔干渉縞の1周期になるよう
に干渉縞の周期を調節し、各素子を4個おきに結線する
。この結線した4個の信号は順番に位相がπ/2だけず
れたIt 、I2 、I3 、I4 に対応する。した
がって差動増幅器OP、、○P2 によりII I3
、I< I2 を求めそれらの余弦、正弦信号か
らマイクロプロセッサ−MPなどにより逆正接を求める
ことにより、光の位相θを高精度に求めることができる
。
「実施例2」
本発明は第3図に示したように光ファイバーを用いて実
現できる。光ファイバーOFを一直線状に並べ、その先
端に等間隔干渉縞を作る。検出する干渉縞の間隔を4本
の光ファイバーの間隔に等しくなるようにする。光ファ
イバーは4本おきに東ねそれぞれ4個の光検出素子を照
明するようにする。光検出素子PD+ 〜PD4 から
の検出信号は光の位相がπ/2ずつ異なる信号工、〜I
4 となるので、それらを差動増幅した後に逆正接を計
算することにより光の位相θを精度良く求めることがで
きる。
現できる。光ファイバーOFを一直線状に並べ、その先
端に等間隔干渉縞を作る。検出する干渉縞の間隔を4本
の光ファイバーの間隔に等しくなるようにする。光ファ
イバーは4本おきに東ねそれぞれ4個の光検出素子を照
明するようにする。光検出素子PD+ 〜PD4 から
の検出信号は光の位相がπ/2ずつ異なる信号工、〜I
4 となるので、それらを差動増幅した後に逆正接を計
算することにより光の位相θを精度良く求めることがで
きる。
「実施例3」
特許請求の範囲第(7)に記載の測定装置を第4図に示
した。横長の大面積フォトダイオードP D ’ +〜
P D ’ 4 を縦方向に4個並べである。この光検
出素子面上に、検出する等間隔干渉縞の周期に等しく、
正弦波状の透過特性を持つ光強度フィルターPLを配置
する。さらにそれら4つの光強度フィルター列は、光透
過特性を示す正弦波の位相が順にπ/2だけずれている
ようにする。この光強度フィルターは、例えば検出する
等間隔干渉縞の位相をπ/2ずつずらしながら写真乾板
に露光することによって所望の透過特性を持つ光強度フ
ィルターを作ることができる。第4図は表現上2値のフ
ィルターを示しである。光検出器PD’、〜PD’、か
らの信号は位相がそれぞれπ/2異なる信号となるので
、差動増幅器OP、、OP2 により差の信号を求めそ
れらの逆正接をマイクロプロセッサ−MPで計算するこ
とにより、光の位相θを精度良くもとめることができる
。第4図に記載の実施例においては特許請求の範囲第(
2)項記載の信号処理法を用いたが第(3)〜(4)項
の信号処理法も当然用いることができる。
した。横長の大面積フォトダイオードP D ’ +〜
P D ’ 4 を縦方向に4個並べである。この光検
出素子面上に、検出する等間隔干渉縞の周期に等しく、
正弦波状の透過特性を持つ光強度フィルターPLを配置
する。さらにそれら4つの光強度フィルター列は、光透
過特性を示す正弦波の位相が順にπ/2だけずれている
ようにする。この光強度フィルターは、例えば検出する
等間隔干渉縞の位相をπ/2ずつずらしながら写真乾板
に露光することによって所望の透過特性を持つ光強度フ
ィルターを作ることができる。第4図は表現上2値のフ
ィルターを示しである。光検出器PD’、〜PD’、か
らの信号は位相がそれぞれπ/2異なる信号となるので
、差動増幅器OP、、OP2 により差の信号を求めそ
れらの逆正接をマイクロプロセッサ−MPで計算するこ
とにより、光の位相θを精度良くもとめることができる
。第4図に記載の実施例においては特許請求の範囲第(
2)項記載の信号処理法を用いたが第(3)〜(4)項
の信号処理法も当然用いることができる。
「発明の効果」
干渉縞の複数周期にわたる光検出法および処理により、
干渉縞形成時に生ずる光強度分布のむらの影響や検出素
子の電気雑音の影響を大幅に低減させることができ、ま
た干渉縞の周期と光検出素子の間隔の整合も正確に行え
るので、光の位相検出精度を大幅に向上させることがで
きる。また、信号処理は極めて簡単なので、高速に光の
位相を求めることができる。
干渉縞形成時に生ずる光強度分布のむらの影響や検出素
子の電気雑音の影響を大幅に低減させることができ、ま
た干渉縞の周期と光検出素子の間隔の整合も正確に行え
るので、光の位相検出精度を大幅に向上させることがで
きる。また、信号処理は極めて簡単なので、高速に光の
位相を求めることができる。
第1図は本発明の測定原理を説明する図、第2図は本発
明の第1実施例の概略図、第3図は本発明の第2実施例
の概略図、および第4図は本発明の第3実施例の概略図
。 PD・・・光検出器、 OP、、OP2 ・・・作動増
幅器、MP・・・マイクロプロセッサ−1OF・・・光
ファイノく−、PL・・・光強度フィルター。 梢1図 第2図 検出縞間隔の174 第3図 F
明の第1実施例の概略図、第3図は本発明の第2実施例
の概略図、および第4図は本発明の第3実施例の概略図
。 PD・・・光検出器、 OP、、OP2 ・・・作動増
幅器、MP・・・マイクロプロセッサ−1OF・・・光
ファイノく−、PL・・・光強度フィルター。 梢1図 第2図 検出縞間隔の174 第3図 F
Claims (7)
- (1)等間隔干渉縞の1/4の周期毎に前記干渉縞の光
強度を複数周期にわたって検出し、位相0、1/2π、
π、3/2πの内の少なくとも3つの位相における光強
度に基づいて演算を行って前記等間隔干渉縞の位置検出
を行う方法。 - (2)前記演算が、位相0における光強度と位相πにお
ける光強度との差により余弦成分を求め、位相1/2π
における光強度と位相3/2πにおける光強度との差に
より正弦成分を求めることにより行われることを特徴と
する特許請求の範囲第(1)項記載の等間隔干渉縞の位
置検出を行う方法。 - (3)前記演算が、位相0、1/2π、π、3/2πの
内の任意の3つの位相における光強度の差に基づいて行
われることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載
の等間隔干渉縞の位置検出を行う方法。 - (4)前記演算が、位相0における光強度と位相1/2
πにおける光強度との和と位相πにおける光強度と位相
3/2πにおける光強度との和との差により余弦成分を
求め、位相0における光強度と位相3/2πにおける光
強度との和と位相1/2πにおける光強度と位相πにお
ける光強度との和との差により正弦成分を求めることに
より行われることを特徴とする特許請求の範囲第(1)
項に記載の等間隔干渉縞の位置検出を行う方法。 - (5)前記光強度の検出が、1/4の周期で設置された
複数の光検出素子により行われることを特徴とする特許
請求の範囲第(1)項記載の方法。 - (6)等間隔干渉縞の1/4の周期毎に並べられた光フ
ァイバー、これらの光ファイバーの内同位相のものから
の光を受ける光検出器から構成される等間隔干渉縞の位
置検出装置。 - (7)4つの大面積光検出素子、および同一の光検出素
子に対しては等間隔干渉縞と同じ周期を有し、検出素子
間では縞の1/4周期ずれた光透過特性を有する光強度
フィルターを備える等間隔干渉縞の位置検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1230488A JPH01187406A (ja) | 1988-01-22 | 1988-01-22 | 等間隔干渉縞の位置検出法ならびに位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1230488A JPH01187406A (ja) | 1988-01-22 | 1988-01-22 | 等間隔干渉縞の位置検出法ならびに位置検出装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01187406A true JPH01187406A (ja) | 1989-07-26 |
Family
ID=11801580
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1230488A Pending JPH01187406A (ja) | 1988-01-22 | 1988-01-22 | 等間隔干渉縞の位置検出法ならびに位置検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01187406A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996028707A1 (fr) * | 1995-03-10 | 1996-09-19 | Seft Development Laboratory Co., Ltd. | Instrument de mesure de positions |
JP2006300803A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 波長モニタ |
JP2006343287A (ja) * | 2005-06-10 | 2006-12-21 | Yokogawa Electric Corp | 光学特性測定装置 |
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