JPS58225301A - Optical type displacement measuring apparatus - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To reduce the effect of visibility of interference by detecting displacement of a target from light signals of 3 or 4 kinds as reflected light from the target and reflected light from a mirror sequentially shifted by 90 deg.. CONSTITUTION:Light from the light source 1 is splitted in two directions with a first polarized beam splitter and a part thereof passes through a lambda/4 polarization plate 62 to make a circularly polarized beam, which passes through mirrors 41 and 42 and enters the second PBS22 to be a reference light. The other part of light splitted with the first PBS21 is reflected on the reflection surface of a target 3 passing through a lambda/4 plate 61, returned to a linearly polarized light passing through the lambda/4 plate again and enters the second PBS22 via the first PBS21. The second PBS22 is set turned by 45 deg. with respect to the first PBS21. The third and fourth PBSs 23 and 24 are each set turned by 45 deg. with respect to the second PBS22. Then, outputs of light detectors 51-54 are computed to find the displacement of the target 3.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ光を用いてターゲットの変位測定を行
なう光学式変位測定装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an optical displacement measuring device that measures the displacement of a target using laser light.

第１図は、この種の装置のひとつである公知のマイケル
ソン変位計の構成説明図である。この装置は、レーザ光
源１からのレーザビームを、ビームスプリーツタ（以下
ＢＳと略す）２で分割し、一方を被測定変位が与えられ
るターゲット３のミラー３０に照射するとともに、他方
を固定ミラー４に照射し、これらのミラー３０及び４か
ら０反射光を、ＢＳ２を介して受光器５で受光するよう
に構成されている。受光器５上に照射される各反射光は
、互いに干渉し、ターゲット３が矢印２方向（光軸方向
）にλ／２（λはレーザ光の波長）動くごとに強まシ、
受光器５から得られる出力信号のピーク回数倉計測する
ことによってターゲット３に与えられる変位を知ること
ができる。FIG. 1 is an explanatory diagram of the configuration of a known Michelson displacement meter, which is one of this type of devices. This device splits a laser beam from a laser light source 1 with a beam splitter (hereinafter abbreviated as BS) 2, and irradiates one part to a mirror 30 of a target 3 to which a displacement to be measured is applied, and the other part to a fixed mirror 4. The mirrors 30 and 4 are configured to emit zero reflected light to the light receiver 5 via the BS2. The reflected lights irradiated onto the light receiver 5 interfere with each other and become stronger each time the target 3 moves by λ/2 (λ is the wavelength of the laser beam) in the direction of the arrow 2 (optical axis direction).
By measuring the number of peaks of the output signal obtained from the light receiver 5, the displacement given to the target 3 can be known.

とξろで、仁のような従来装置においては、受光器５か
ら出力される光の強さに対応した信号のレベルが、ミラ
ー３０や４が曇つ九場合や、レーザ光源の出力が減衰し
た場合影響を受け、測定誤差を生ずるという欠点がある
。また、変位方向の判別がつかないこと、λ／２　以上
の変位変化を正確に測定できないこと等の欠点がある。However, in a conventional device like the one described above, the level of the signal corresponding to the intensity of the light output from the photoreceiver 5 is reduced when the mirrors 30 and 4 become cloudy or when the output of the laser light source is attenuated. This has the disadvantage that it may be influenced by the sensor and cause measurement errors. Further, there are drawbacks such as the inability to determine the direction of displacement and the inability to accurately measure displacement changes of λ/2 or more.

ここにおいて、本発明は、従来装置におけるこれらの欠
点をなくすることを目的としてなされたものである。The present invention has been made with the object of eliminating these drawbacks of conventional devices.

本発明に係る装置は、マイクルソンの干渉針において、
ターゲットからの反射光及びミラーからの反射光をそれ
ぞれいくつかのビームスプリッタを介して９０°ずっ位
相のずれた３又は４種の光信号とし、これらの光信号に
対応した信号を演算することによって、ターゲットの変
位を知るようにしたものである。The device according to the present invention is a micleson interference needle.
By converting the reflected light from the target and the reflected light from the mirror into three or four types of optical signals with a phase shift of 90 degrees through several beam splitters, and calculating signals corresponding to these optical signals. , the displacement of the target is known.

第２図は本発明に係る装置の一例を示す構成説明図であ
る。図において、ｌは光源で、例えば、ＨｅＮｅ　　レ
ーザ光源が使用され、ここがら可干渉な光が出射する。FIG. 2 is a configuration explanatory diagram showing an example of the apparatus according to the present invention. In the figure, l is a light source, for example, a HeNe laser light source is used, and from this, coherent light is emitted.

２１．２２．２３．２４　Ｆｉ、、それぞれ偏光ビーム
スプリッタ（以下ＰＢＳと略す）で、第１のＰＢ８２１
は、光源１からのレーザビームが入射し、これを２方向
に分割する。第２のＰＢＳ２２ｉｊ、第１＋７）ＰＢＳ
２１１Ｃ対してその光軸が４５゜回転させて配置され、
また、第３及び第４のＰＢＳ２３及び２４ＩＩｉ、第２
（７）ＰＢ８２２に対してその光軸が４ぎ回転させて配
置されている。３は反射面３０を有するターゲットで、
これには矢印２（光軸）方向の被測定変位が与えられる
。４１．４２は光経路変更用の固定ミラーで、第１のＰ
ＢＳ　２１で分割された光ビームを第２のＰＢＳ２２に
入射させる。なお、この固定ミラーに代えてプリズム等
を使用するようにしてもよい。５１．５２．５３゜５４
はそれぞれ光検出器で、例えばホトトランジスタ、ホ）
ダイオード、光電池等が使用される。21.22.23.24 Fi, the first PB821 is a polarizing beam splitter (hereinafter abbreviated as PBS), respectively.
A laser beam from a light source 1 enters and is split into two directions. 2nd PBS22ij, 1st+7) PBS
The optical axis is arranged with its optical axis rotated by 45 degrees with respect to 211C,
In addition, the third and fourth PBS23 and 24IIi, the second
(7) The optical axis is rotated by four degrees with respect to the PB822. 3 is a target having a reflective surface 30;
The displacement to be measured in the direction of arrow 2 (optical axis) is given to this. 41 and 42 are fixed mirrors for changing the optical path, and the first P
The light beam split by the BS 21 is made incident on the second PBS 22. Note that a prism or the like may be used instead of this fixed mirror. 51.52.53゜54
are each a photodetector, e.g. a phototransistor, e)
Diodes, photovoltaic cells, etc. are used.

光検出器５１．５２ｔｊ：、第３０ＰＢＳ２３−ｔ’分
割さ。Photodetector 51.52tj: 30th PBS23-t' divided.

れた光、をそれぞれ受光し、また、光検出器５３゜５４
は、第４のＰＢ８２４で分割された光を受光する。６１
は第１のＰＢ８２１とターゲット３との間に設置したλ
／４板、６２は第１のＰＢＳ２１とｉジー４１との間に
設置したλ／４板である。The photodetectors 53 and 54 receive the received light, respectively.
receives the divided light at the fourth PB824. 61
is the λ installed between the first PB821 and target 3.
A /4 board 62 is a λ/4 board installed between the first PBS 21 and the iG 41.

第３図は第１図装置において、電気的な回路を示す構成
ブロック図である。この図において、７１は光検出器５
１と光検出器５２との出方信号の差を得る差動増巾器、
７２は光検出器５３と光検出器５４との出力信号の差を
得る差動増巾器、８１゜８２はそれぞれミキサ、８０は
ミキサ８１，８２を介して印加される各差動増巾器７１
．７２からの信号を加算する加算増巾器、９１は加算増
巾器８０の出力周波数信号を計数するカウンタ、９２は
ミキサ８２に印加している周波数信号（ＣＯＳ・ｗｔｃ
ｔ）を計数するカラ／り、９０ｆｉカウンタ９１の計数
値とカウンタ９２の計数値とを入力し、加算演算する演
算器である。FIG. 3 is a block diagram showing an electrical circuit in the apparatus shown in FIG. In this figure, 71 is the photodetector 5
a differential amplifier that obtains the difference between the output signals of 1 and the photodetector 52;
72 is a differential amplifier that obtains the difference between the output signals of the photodetector 53 and the photodetector 54, 81 and 82 are mixers, respectively, and 80 is each differential amplifier to which the signal is applied via the mixers 81 and 82. 71
．． 91 is a counter that counts the output frequency signal of the summing amplifier 80; 92 is a frequency signal (COS/wtc) applied to the mixer 82;
This is an arithmetic unit which inputs the count value of the 90fi counter 91 and the count value of the counter 92 and performs an addition operation.

このように構成した装置の動作は次の通りである。光源
ｌから出射された光は、第１のＰＲ８２１で２方向に分
割され、一方はλ／４　側光板６２を通って円偏光とな
９、ミラー４１．４２を通って第２のＰＢＢ２２に入射
し参照光となる。第１のＰＢＳ２１で分割された他方の
光は、λ／４板６板金１って円偏光となった後、ターゲ
ット３の反射面３０で反射され、再びλ／４　板を通り
、直線偏光に戻され、第１のＰＢＳ２１を経て第２のＰ
Ｂ８２２に入射する。The operation of the device configured as described above is as follows. The light emitted from the light source 1 is split into two directions by the first PR 821, one passes through the λ/4 side light plate 62 and becomes circularly polarized light 9, and the other passes through the mirror 41.42 and enters the second PBB 22. and serves as a reference light. The other light split by the first PBS 21 becomes circularly polarized light through the λ/4 plate 6 sheet metal 1, is reflected by the reflective surface 30 of the target 3, passes through the λ/4 plate again, and becomes linearly polarized light. is returned to the second PBS via the first PBS 21.
It enters B822.

ここで、参照光の電界をＥＲ（ＥＨ＠１ｎｓｔ＋　ＥＲ
ｅ０８ωｔ）、ターゲット３の反射面３ｏがらの戻シ光
をＥ７５ｉｎ（ａ＋ｔ＋ψ）とすれば、第３のＰＢ８２
３に入射する光の電界のベクトル図は、！ｊｇ４図（イ
）の実線に示す通シとなり、また、第４のＰＢＳ２４に
入射する光の電界のベクトル図は、第４図（ロ）の実線
に示す通りとなる。ただし、ωは光の角周波数、ψは２
π／λ・２で、λは波長、２はターゲット３の光軸方向
変位量である。Here, the electric field of the reference light is ER (EH@1nst+ER
e08ωt), and if the return light from the reflective surface 3o of the target 3 is E75in (a+t+ψ), then the third PB82
The vector diagram of the electric field of light incident on 3 is ! The vector diagram of the electric field of the light incident on the fourth PBS 24 is as shown by the solid line in FIG. 4(b). However, ω is the angular frequency of light, and ψ is 2
π/λ·2, where λ is the wavelength and 2 is the amount of displacement of the target 3 in the optical axis direction.

ターゲット３からの戻り光は、第２のＰＢ８２２が、第
１のＰＢ８２１に対して４５°回転して設置しであるの
で、電界は、」１−・ｓｉｎ　（ωｔ＋ψ）　とな［ る。更に、第２のＰＢ８２２に対してそれぞれ４５°回
転する第３．第４のＰＢＳ２３．２４　　を通って、各
光検出器５１．５２．５３．５４　　に入射する光の電
界は、それぞれ第４図（イ）、（ロ）の破線に示す通り
となる。Since the second PB 822 is rotated by 45 degrees with respect to the first PB 821, the electric field of the return light from the target 3 is 1-sin (ωt+ψ). Further, the third PB 822 is rotated by 45 degrees with respect to the second PB822. The electric field of the light passing through the fourth PBS 23.24 and entering each photodetector 51.52.53.54 is as shown by the broken lines in FIGS. 4(a) and 4(b), respectively.

したがって、各光検出器５１〜５４で検出される光パワ
ーをＰＤ、〜ＰＤ４とすれば、これらはＴ１）〜（４）
式でそれぞれ表わすことができる。Therefore, if the optical power detected by each photodetector 51 to 54 is PD, to PD4, these are T1) to (4).
Each can be expressed by the formula.

１　　　　　　　　　１　　　ＥＴ ＰＤ、　＝＜　ｑＥＲｓｉｎωｔ＋ｒ７−７７　ｅｓｉ
ｎＣ＃ｔ＋９’））２＞１　　　　　　　　　　１　　
　ＥＴ ＰＤ・＝〈ヴ゛珈°１”を−汀°Ｗ−°“ｍｌ“訝ψ）
）′〉ＰＤ４＝＜−−−ＥＲｅｏｓωｔ−−！＝　−！
”−５ｉｎ（１＋ｐ））２＞四　　　　　　■「　ゾ とおくと、（１）〜（４）式祉それぞれ９０°ずつ位相
のずれ念（５）〜（８）式で表わされる信号となる。1 1 ET PD, =< qERsinωt+r7-77 esi
nC#t+9'))2>1 1
ET PD.
)'〉PD4=<---EReosωt--! = −!
``-5in(1+p))2>4 ■'' If we set the equations (1) to (4) to have a phase shift of 90 degrees, the signals will be expressed by the equations (5) to (8).

ＰＤ、　＝　Ａ　＋　Ｂ　ｃｏｔ　ｔｐ　　　　　　＝
　（５１Ｐ　Ｄ２　＝　Ａ　　Ｂ　ｃａｒｔ　ｖ　　　
　　　・・・曲・・１６）ＰＤ、”＝Ａ　−Ｂ　ｓｉｎ
　ｔｐ　　　　　　・−”　（７）Ｐ　Ｄ４　＝　Ａ　
十Ｂ　ｓ　ｌｎ　９’　　　　　　・・”・□・”　１
８）第３図に示す回路において、差動増幅器７１は光検
出器５１．５２からの（５）式、（６）式で表わされる
各信号を入力し、両信号の差を演算することによってそ
の出力端に、２Ｂｃｏｓψ　なる信号を出力する。同じ
よ５１Ｃ，差動増幅器７２１１ｔ、（７）式、（８）式
で表わされる各信号を入力し、両信号の差を演算するこ
とによってその出力端に、−２Ｂｓ１ｎψなる信号を出
力する。加算増巾器８ｏは、それぞれミキサ８１．８２
を通って印加される各信号を加算することによって、そ
の出力端に、２Ｂ　５ｉｎ（ωｃｔ−ψ）なる周波数信
号余得る。ここでωＣは、ミキサ８１．８２に印加する
キャリア信号のキャリア周波数を示す。カウンタ９１は
、加算増幅器８ｏがらの周波数信号を計数し、塘た、カ
ウンタ９２はキ　　　１１ヤリア信号の周波数を計数す
る。演算回路９ｏは、各カウンタ９１．９２からの計数
値の差を演算することによって、位相量ψ＝二「・２　
を求めルコとができる。PD, = A + B cot tp =
(51P D2 = A B cart v
...Song...16) PD, ”=A −B sin
tp ・-” (7) P D4 = A
10 B s ln 9'...”・□・” 1
8) In the circuit shown in FIG. 3, the differential amplifier 71 inputs the signals expressed by equations (5) and (6) from the photodetectors 51 and 52, and calculates the difference between the two signals. A signal of 2Bcosψ is outputted to its output terminal. Similarly, 51C and differential amplifier 7211t are inputted with the signals expressed by equations (7) and (8), and by calculating the difference between the two signals, a signal of -2Bs1nψ is outputted at its output terminal. The summing amplifier 8o is a mixer 81.82, respectively.
By summing each signal applied through the circuit, a frequency signal of 2B 5in(ωct-ψ) is obtained at its output. Here, ωC indicates the carrier frequency of the carrier signal applied to the mixers 81 and 82. A counter 91 counts the frequency signal from the summing amplifier 8o, and a counter 92 counts the frequency of the carrier signal. The arithmetic circuit 9o calculates the phase amount ψ=2"・2 by calculating the difference between the count values from each counter 91.92.
You can ask Ruco.

なお、各光検出器からの出力信号の演算処理回路として
ｈ、ｉａ図のブロック図以外の他の回路を用いてもよい
。ま゛た、ターゲットとしては反射のある拡散面を用い
てもよい。Note that circuits other than those shown in the block diagrams in FIGS. h and ia may be used as arithmetic processing circuits for output signals from each photodetector. Alternatively, a reflective diffusing surface may be used as the target.

また、第２図において、光検出器５２を省略して３個の
光検出器とし、第５図に示すような演算処理回路を用い
るようにしてもよい。In addition, in FIG. 2, the photodetector 52 may be omitted to provide three photodetectors, and an arithmetic processing circuit as shown in FIG. 5 may be used.

すなわち、第５図において第３図と異なる点は、光検出
器５１．５３からの（５）式、（７）式で表わされる信
号の差を演算することによって　２Ｂｓ＋ｉｎ（ψ＋π
／４）なる信号を得、また、光検出器５１．５４からの
（５）式、（８）式で表わされる信号の差を演算するこ
とによって−２Ｂａ１ｎ（ψ−π／４）なる信号を得る
ようにし、位相差量ψを演算するようにしたものである
。That is, the difference between FIG. 5 and FIG. 3 is that 2Bs+in(ψ+π
/4), and by calculating the difference between the signals expressed by equations (5) and (8) from the photodetector 51.54, a signal -2Ba1n(ψ-π/4) is obtained. The phase difference amount ψ is calculated.

このように構成した装置によれば、各光検出器から得ら
れる（５）〜（８）式で示されるような信号の差を演算
し、これを更に演算することによって、ターゲット３の
変位量２を知るようにし友ものであるから、例えばｉラ
ーが曇ったりして、干渉のビジビリティ−（Ｂ／Ａ）が
小さくなっても、これらの影響を受けず、変位測定を行
なうことができる。ｔた、ターゲットの変位方向は、位
相量９の極性変化となって表われるので、変位方向の判
別も行なうことができる。また、λ／２以上の変位変化
も知る仁とができる。According to the device configured in this way, the displacement amount of the target 3 is calculated by calculating the difference between the signals as shown in equations (5) to (8) obtained from each photodetector, and further calculating this. Therefore, even if the visibility (B/A) of interference becomes small due to fogging of the i-lar, for example, displacement measurement can be performed without being affected by this. Furthermore, since the direction of displacement of the target is expressed as a change in polarity of the phase amount 9, the direction of displacement can also be determined. Furthermore, it is possible to detect displacement changes of λ/2 or more.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は公知のマイケルソン変位計の構成説明図、第２
図は本発明に係る装置の一例を示す構成説明図、第３図
はその電気的な回路を示す構成ブロック図、第４図は動
作説明図、第５図は電気回路の他の例を示す構成ブロッ
ク図である。 １・・・光源、２１〜２４・・・偏光ビームスプリッタ
、３・・・ターゲット、３０・・・反射面、４１．４２
・・・きラー、５１〜５４・・・光検出器、６１．６２
・・・λ／４板代理人　弁理士　小　沢　信　助Figure 1 is an explanatory diagram of the configuration of a known Michelson displacement meter;
The figure is a configuration explanatory diagram showing an example of the device according to the present invention, FIG. 3 is a configuration block diagram showing its electric circuit, FIG. 4 is an operation explanatory diagram, and FIG. 5 is a diagram showing another example of the electric circuit. It is a configuration block diagram. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Light source, 21-24... Polarization beam splitter, 3... Target, 30... Reflection surface, 41.42
... Killer, 51-54 ... Photodetector, 61.62
...λ/4 Board Agent Patent Attorney Shinsuke Ozawa

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）　　光源からの可干渉な光を第１の偏光ビームス
プリッタ及びλ／４（λは波長）板を介して被測定変位
が与えられるターゲットの反射面に照射させ、ここから
の戻り光と的記第１の偏光ビームスプリッタで分割され
次光源からの参照光とをそれぞれ２以上の偏光ビームス
グリツタを介して互いに９０”ずつ位相のずれた３又は
４種の光信号とし、これらの光信号に関連し次信号を差
演算を含む所定の演算を行なうことによって位相差量（
ψ）を求め、これから前記ターゲットの変位量を知るよ
うにした光学式変位測定装置。(1) Coherent light from a light source is irradiated via the first polarizing beam splitter and a λ/4 (λ is wavelength) plate to the reflective surface of the target to which the displacement to be measured is applied, and the return light and Note: The first polarizing beam splitter splits the reference light from the next light source into three or four types of optical signals with a phase shift of 90'' from each other through two or more polarizing beam splitters, and these lights are The amount of phase difference (
ψ), and the amount of displacement of the target can be determined from this.