JPH11344306A - 光学的変位計測装置 - Google Patents

光学的変位計測装置

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JPH11344306A
JPH11344306A JP19352998A JP19352998A JPH11344306A JP H11344306 A JPH11344306 A JP H11344306A JP 19352998 A JP19352998 A JP 19352998A JP 19352998 A JP19352998 A JP 19352998A JP H11344306 A JPH11344306 A JP H11344306A
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JP
Japan
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grating
pattern
interference fringes
interference
displacement
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JP19352998A
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English (en)
Inventor
Toshihiko Yoshino
俊彦 芳野
Daniel Varela Josas
ダニエル バレラ ヨサス
Shinha Puraneji
シンハ プラネジ
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】簡便で測定範囲の広い非接触、高精度の変位・
振動干渉センサを提供する。 【解決手段】レーザ光源1から出射した光線を、ファイ
バ方向性結合器2を使って2本の単一モードファイバ
3.4に入射し、その出力ビーム6で空間に直線格子状
の干渉縞を形成する。その際、2本のファイバの中の一
本をPZT(電歪素子)5に巻き付けておく。干渉縞を
物体の粗面の反射面7に投影すると、反射面上には直線
格子状の干渉縞8(強度がy方向に正弦的に変化)が投
影される。反射面上の格子状パターン8を光学系9で結
像すると、結像面10上には物体面のパターン8と相似
のパターン11が結像される。結像面において、結像格
子パターンと同じかほぼ同じピッチをもつ平行格子状空
間フィルターすなわちロンキ格子12を、両者の格子が
平行になるように設置する。ロンキ格子の透過光を集光
して光検知器13で受信する。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】この発明は、主として物体の変位
や振動を光を用いて非接触に測定する装置に関するもの
である。 【0002】 【従来の技術】従来より、鏡面の表面を有する物体の面
外方向の変位や振動を光学的に精密に計測するのには、
レーザ光線を直接または光ファイバを通して振動点に照
射し、反射光を参照光と干渉させ、干渉信号を処理して
変位や振動を求め干渉法が知られている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は非測定物体の表面が鏡面の場合にのみ有効で、被測定
物体の表面が粗面で凹凸があると、得られる干渉縞のコ
ントラストが著しく低下し、従って計測不能になる。ま
た、粗面物体では、面内方向の移動があると、干渉信号
が表面の凹凸によってランダムな変調を受けるのでやは
り計測不能となる。またさらに従来技術においては、干
渉信号が光位相に対して非線形周期関数(cos関数)
であるために、干渉信号から変位を求めるのに複雑な計
算機処理を必要とし、実時間測定が困難な上、適用可能
な振動振幅は10μm程度以下に押さえられている。 【0004】 【問題を解決するための手段】本発明は、レーザ光線で
発生させた干渉縞を被測定粗面に斜入射角で照射し、反
射パターンをレンズで結像し、結像面に置かれた空間フ
イルターを通過させ、透過光量が一定になるように干渉
縞の空間位置を補償する。この手法によって、光干渉を
利用しているが粗面に対しても適用できかつ10μm以
上の大きな変位や振動を実時で極めて簡単な測定系で測
定できるようになる。 【0005】 【作用】2本の単一モードファイバに同時にレーザ光を
入射し、そのファイバの出力端面をほぼ平行に揃え、出
力光を直接またはレンズでコリメートすると、空間には
平行格子状の干渉パターンが発生し、2本のファイバを
通過する光線の相対的な位相を制御する機構を具備する
ことによって干渉パターンを空間的に平行移動させるこ
とができる。 【0006】当該位相制御の一つの手法として、ファイ
バ対の中一つのファイバを電歪素子(PZT)、磁歪素
子などのアクチュエータに多重に巻き、その駆動信号に
よってファイバ長を変化させることで干渉縞を空間的に
平行移動させる。 【0007】当該位相制御の別の手法として、光源に半
導体レーザを使用し、駆動電流の変化によって半導体レ
ーザの周波数を変化させることで干渉縞を空間的に平行
移動させる。この場合には、干渉計はファイバ干渉計で
なく空気中など自由空間伝播干渉計でもよい。 【0008】発生させた干渉パターンを平面物体の粗面
表面に斜めに入射すると、物体面上には直線格子状の濃
淡パターンが投影され、それをカメラレンズによって結
像すると、結像面には物体面上に投影された濃淡パター
ンと相似の濃淡パターンが結像される。 【0009】結像された格子パターンと同じピッチを有
する空間フイルタ(ロンキ格子)を結像面に固定して設
置し、結像パターンの明線部とロンキ格子の透過部が一
致すれば(すなわち同位相)であれば通過光量は最大と
なり、逆に結像パターンの明線部とロンキ格子の遮光部
が一致すれば(すなわち逆位相)であれば通過光量は最
小となるようにする。 【0010】物体の反射面が結像光学系の光軸に沿って
平行な方向(すなわち縦方向)に移動すると、より一般
的には移動に伴い縦方向の変位成分が存在すると、投影
パターンが反射面上を光軸に垂直な方向(すなわち横方
向)に平行移動するので、結像面における格子パターン
も光軸に垂直な方向(横方向)に平行移動し、その結
果、ロンキ格子を通過する光量の総和の変化をもたら
す。 【0011】ロンキ格子を通過する全エネルギを光検出
器で受信し、その出力をサーボ系機構を通して位相制御
機構に帰還すると、サーボ機構は検出器の出力信号が一
定、すなわちロンキ格子透過光量が常に一定となるとな
るように作用するので、反射面が縦方向に移動しても、
反射面上の格子パターンの位置が不変となるように干渉
縞が空間的にシフトする。 【0012】かかる干渉縞の空間的なシフトは、干渉計
における光路長の位相制御機構の作用によってもたらさ
れるので、被検反射面の縦変位量とサーボ機構の帰還信
号(誤差信号)は線形関係となり、サーボ機構の帰還信
号をモニターすることによって被検反射面の一次元な変
位が測定できる。 【0013】当該計測システムにおいて、干渉縞をシフ
トさせる位相制御として半導体レーザの電流による発振
周波数シフトを利用することができる。半導体レーザの
電流変化ΔIは発振周波数の変化Δfを伴うので、半導
体レーザの電流変化ΔIは干渉計に位相差Δφ=(2n
π/λ)LΔf(n:ファイバ屈折率、L:干渉計の光
路長差、λ:光線の真空中波長)をもたらす。従って、
干渉計の光路差Lを十分大きくし、空間フイルターを通
過した全光線を光検出器で受信し、その出力をサーボ系
機構を通して半導体レーザの駆動電流に印加すると、サ
ーボ帰還電流と反射面の変位が線形関係となる。 【0014】このように本方式によれば、一般の粗面物
体面の一点における大きな変位、振動を精度よく簡便に
測定できる。 【0015】 【実施例】以下、本発明に関わる変位測定装置とその応
用を詳細に説明する。 【0016】図1は、本発明の実施例を示すための全体
の構成図であり、レーザ光源1から出射した光線を、フ
ァイバ方向性結合器2を使って2本の単一モードファイ
バ3.4に入射し、その出力ビーム6で空間に直線格子
状の干渉縞を形成する。その際、2本のファイバの中の
一本をPZT(電歪素子)5に巻き付けておく。 【0017】干渉縞を物体の粗面の反射面7に投影する
と、反射面上には直線格子状の干渉縞8(強度がy方向
に正弦的に変化)が投影される。反射面上の格子状パタ
ーン8を光学系9で結像すると、結像面10上には図2
に示すような物体面のパターン8と相似のパターン11
が結像される。 【0018】結像面において、結像格子パターンと同じ
かほぼ同じピッチをもつ平行格子状空間フイルターすな
わちロンキ格子12を、両者の格子が平行になるように
設置する。図3は、ロンキ格子12(透明域・遮光域の
周期的繰り返しの空間フイルター)の実施例を示す図で
ある。ロンキ格子の透過光を集光して光検出器13で受
信する。 【0019】反射面7が光軸(z軸)に平行にΔz移動
すると、結像格子パターン11がy軸に平行にシフト移
動する。これにより、サーボ系14がオフ状態の場合に
は、図4の破線に示すように検出器13の出力P15は
Δzに関して周期的に変化する。 【0020】ところでサーボ系14をオン状態にし、サ
ーボ出力電圧V16をPZT5の印加電圧として帰還す
ると、検出器出力P15は図4の実線に示すように変位
Δzに対して不変になる。一方、サーボ系の出力V16
は、図5に示すように、移動量Δzに対して線形に変化
する。 【0021】図6は、反射面(紙面)が特に振動(幅1
mm、速さ100Hz)している場合のサーボ出力電圧
V16の変化ΔVの時間変化を示す実験例であり、振動
による変位が線形応答でサーボ出力電圧ΔVに対応して
いることが分かる。同時に検出器出力の変化がない(Δ
P=0)ことも観測されている。 【0022】図7は、干渉縞の制御のために半導体レー
ザを使用する場合の実施例を示す図であり、ファイバ
3,4(または空間伝播でもよい)の光路差Lは十分大
きくし、サーボ機構の出力電流21を半導体レーザ22
の注入電流に帰還する。サーボ系出力(帰還電流)と振
動面の変位Δzの関係は図5と同様に、線形関係にあ
る。 【0023】このように、本方式に方式によれば時間に
関して複雑な変化をする大きな変位に対しても、変位を
高精度に実時間で検出できることが分かる。測定可能な
変位の大きさは、主に結像系の物体深度によって決ま
り、それは結像系9の焦点距離の選択で調整でき、長焦
点距離にすれば拡大できる。 【0024】 【発明の効果】本発明によると、簡単な構成によって、
反射面が粗面でも大きな変位や大振幅振動を高精度、高
安定、実時間で非接触測定することが可能となる。これ
は、従来の干渉計測技術では実現されていないことであ
り、新しい計測技術として広い応用範囲をもつ。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に関わる計測装置の実施例を説明するた
めの全体図である。 【図2】本発明に関わる投影干渉縞の実施例を示す図で
ある。 【図3】本発明に関わるロンキ格子の実施例を示す図で
ある。 【図4】本発明に関わる光検出器と変位の関係を説明す
る図である。 【図5】本発明に関わる変位測定の実施例を示す図であ
る。 【図6】本発明に関わる計測法を振動計測に応用した場
合の実施例を示す図である 【図7】本発明に関わる計測装置における干渉縞の制御
のために半導体レーザの電流による発振周波数の変調特
性を利用する場合の実施例を説明するための全体図であ
る。 【符号の説明】 1 光源 2 ファイバ結合器 3 ファイバ 4 ファイバ 5 電歪素子 6 2光束レーザ光線 7 反射面 8 干渉縞 9 結像系 10 結像面 11 結像格子パターン 12 ロンキ格子 13 光検出器 14 サーボ機構 15 検出器出力 16 サーボ出力電圧 21 サーボ出力電流 22 半導体レーザ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プラネジ シンハ 群馬県桐生市境野町4−634シテイメゾン ア ライ103

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 空間的に干渉縞を発生させる干渉縞発生
    装置を有し、当該干渉縞発生装置は干渉縞を空間的に移
    動させる位相変調装置を具備し、発生した干渉縞を物体
    表面に投影し、その実像を結像する結像光学系を有し、
    結像面において結像パターンの空間シフトを検出できる
    空間フイルターを有し、当該空間フイルターの透過光量
    を検出する検出系を有し、当該検出器の出力を当該位相
    変調装置に帰還するサーボ系を有し、サーボ信号を検出
    することで物体表面の光軸方向の移動を検出することを
    特徴とする計測装置。 【請求項2】 【請求項1】に関わる干渉縞発生装置において、光ファ
    イバを使うことを特徴とした変位計測装置 【請求項3】 【請求項1】に関わる位相変調装置において、アクチュ
    エータに光ファイバを巻き付けたものを使うことを特徴
    とした変位計測装置 【請求項4】 【請求項1】に関わる位相変調装置において、半導体レ
    ーザを干渉縞発生装置の光源とし、その駆動電流による
    光周波数変調を使うことを特徴とした変位干渉計測装置
JP19352998A 1998-06-01 1998-06-01 光学的変位計測装置 Pending JPH11344306A (ja)

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JPH11344306A true JPH11344306A (ja) 1999-12-14

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100352939B1 (ko) * 2000-06-19 2002-09-16 광주과학기술원 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치
KR100931224B1 (ko) 2003-04-18 2009-12-10 주식회사 포스코 광섬유를 이용한 초음파 측정장치
CN102819112A (zh) * 2012-08-27 2012-12-12 中国科学院半导体研究所 激光光束匀化装置

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100352939B1 (ko) * 2000-06-19 2002-09-16 광주과학기술원 자동 거리 유지장치를 이용한 물질 표면구조 측정장치
KR100931224B1 (ko) 2003-04-18 2009-12-10 주식회사 포스코 광섬유를 이용한 초음파 측정장치
CN102819112A (zh) * 2012-08-27 2012-12-12 中国科学院半导体研究所 激光光束匀化装置

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