JPS63266302A - レ−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、たとえばＸ−Ｙステージの移動体を精密に位
置決めするときなどに用いるレーザ測長装置に関する。

〔従来の技術〕

光の干渉を利用した従来のレーザ測長器の構成例を第３
図に示す。この方法はＨｅ　−Ｎｅレーザ発振器２０か
ら単一波長のレーザ光を射出させ、ビームスプリッタ４
によって２つに分岐し、一方の光ビームは基準光路を通
って参照鏡５に、他方の光ビームは移動ステージ１１上
に固定した移動鏡６に黒山させ、それぞれの鏡からの反
射光をビームスプリッタ４を介してミキシングし、これ
によって生ずる干渉光を分割ミラー２１を介して受光器
２２・２３に入射させ９位相が９０°ずれた２つの波Ｅ
、Ｆを発生させる。この出力をプリアンプ２４で増幅し
。

加速カウンタ２５で、波Ｅの零クロス点で発生させたパ
ルスＰ１を移動方向によって波Ｆのプラス側で発生させ
たパルスＰ２の１または０との論理演算によって計測し
、距離演算回路２６で移動量と移動方向を演算するもの
である。１２はステージ移動用モータである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、この方法では受光器からの干渉波によって得
られるパルス信号を、ステージの移動方向ごとにカウン
トするインクリメンタルな計測であるため、なんらかの
障害物が光路中を一瞬でも通過した場合、蓄積データが
更新されステージの位置情報を失なってしまい計測が不
能になる欠点があった。

また、使用しているレーザもガスレーザであるため形状
が大きく、光学系も複雑となり、装置が大型かつ高価に
なっている。

〔本発明の目的〕

本発明の目的は、外乱ノイズに強くかつ、安価でコンパ
クトなレーザ測長装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため１周波数を一定の周波数範囲内
で連続的に一定の割合で増減を繰り返すように変調させ
た半導体レーザ光を用い、参照鏡と被測定物の移動鏡に
照射し、それぞれの鏡から反射してきた光をミキシング
し、これによって参照鏡の基準光路長と移動鏡の測定光
路長との差に比例したビート波を発生させ、その周期を
計測することにより測定光路の絶対距離を検出するよう
にしている。

〔作用〕

したがって、障害物が光路中を一時的に通過するなどに
よってレーザ光が遮断されても、再び照射されたときに
、変調されたレーザ光によるビート波で絶対距離を検出
しているため９位置情報を失うことがなく、継続して精
密な測定が行える。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例によって詳細に説明する。

第１図は本発明のレーザ測長器の構成を示す図である。

１は周波数変調回路で、半導体レーザ発振器２から射出
されるレーザ光の波長を一定の割合で連続的に変調させ
る。このため、半導体レーザ発振器２への注入電流を一
定割合で連続的に変化させる。３は半導体レーザ発振器
からの射出光を平行にするコリメータレンズ、４はレー
ザ光を参照鏡５と、移動鏡６の両方に分配し、またそれ
ぞれの鏡から反射してきた光をミキシングするためのビ
ームスプリッタ、７はミキシングにより生じるビート信
号を検出する受光器、８はビート信号の周期を十分に高
い周波数のクロックを用いて訃 計数する周期係数回路、９は周期データから移動鏡の位
置を演算する距離演算回路、１０は出力回路。

１１は移動ステージ、１２はステージ移動用モータであ
る。

以下その動作について説明する。

半導体レーザ発振器２からレーザ光を射出させ。

歳 周波数変調回路１からの注入電會を半導体レーザ光の周
波数が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（０，１％以下）で直線的たとえば三角波状に変
化させると、注入電流に比例して、半導体レーザ光の周
波数が変化し１次式（１）で示される周波数ｆで周波数
変調される。

ｒ＝　ｆｏ＋　ｔｔ　　　　　　　　　　　　　・・・
・・・・・・（１）（ただしｆ。は変調開始点の周波数
、ｉは周波数変化率、ｔは時間） この、半導体レーザ光は、コリメータレンズ３を通りビ
ームスプリッタ４で２つに分岐され、方向が９０°曲げ
られた一方の光ビームは基準光路の参照鏡５に当って反
射され、ビームスプリッタ４を通り、受光器７に入射す
る。この基準光Ａは次式（２）で表わされる。

Δ＝Ａ１ｅｘｐ　（−２πｊ　（ｆｏ＋４ｔ）　ｔ）　
　　　・＋−＋・−・（２）（ただしＡＩは初期の基準
光の強度） また、ビームスプリッタ４を通過した他方の光ビームは
、移動鏡６に当って反射し、ビームスプリッタ４で方向
が９０°曲げられて受光器７に入射される。この測定光
Ｂは基準光Ａに対する時間遅れをτ、光路差をＲとすれ
ば次式（３）で表わされる。

Ｂ＝Ｂｉｅｘｐ　［２πｊ　（ｆ＋ｆ　（ｔ　　ｒ）　
）×（ｔ−τ）］　　　　　　　　　・・・・・・・・
・（３）（ただし、Ｂは初期の測定光強度、τ＝２Ｒ／
Ｃ，Ｃは光速） 受光器７では基準光Ａと測定光Ｂがミキシングる。

Ｖ１＝　ｌ　Ａ＋Ｂ　ｌ　　＝ＡＩ　　＋Ｂ１　　＋　
２　ＡＩＢｔＣｏｓ　（２ｔｔ　（ｆｒ　＋ｌｒ　ｔ、
　ｒτ２）　）　　　　　・＝＝＝・・Ｉ４）ただし、
？τ２＜＜ｆｒで、無視でき、また。

（４）式の交流分のみをとり出すと、受光器の出力ｖ２
は次式（５）の信号となる。

Ｖ２＝　２ＡＩＢＩＣｏｓ　［２ｘ　（ｆｒ　＋ｆｒ　
ｔ）　）・・・・・・・・・（５） （５）式の第２項目がビート信号の周波数ｆｂとなり次
式（６）で表わされる。

化＝ｉ−τ＝ｉ・２　Ｒ／Ｃ・・・・・・・・・（６）
（６）式かられかるようにビート周波数は光路差Ｒに比
例し、　Ｒ＝ｃ−ｒｂ／２ｉで表わされる。

しかし、ビート信号の周波数ｆｂを計数する場合。

周波数偏位量をΔＦとすればＣ／（４・ΔＦ）の量子化
誤差を生じ、ΔＦが５０ＧＨｚの場合はこの量子化誤差
が１．５ｍｍになり、大きな誤差値となる。

このため１周波数ｆｂを計数するかわりに、ビート信号
の周期Ｔｂ　（＝　１　／ｆｂ）を計測し、この周期デ
ータを距離演算回路９に与え、Ｒ＝Ｃ／２？パＴｂによ
り、光路差Ｒを演算して出力回路１０を介して距離に応
じた信号を出力させる。

しかして、ビート周期Ｔｃのクロックを用いて計数すれ
ばその量子化誤差ΔＲは次式で表わされる。

△Ｒ／Ｒ＝Ｔｃ／Ｔｂ＝　１／Ｎ いま、Ｒ＝１０ｍｍでＮ＝１０５とすれば量子化誤差△
Ｒは０．１μｍになる。

したがって、クロック周期Ｔｃを、光路差Ｒが最大のと
きのビート周期Ｔｂの１／Ｎ（たとえばＮ＝１０’〜１
０５に相当するようにしておけば量子化誤差△Ｒを小さ
な値に保持でき精度の良い測定ができる。

本発明の他の応用例を第２図に示す。

この応用例はビームスプリッタ４と移動鏡６との間の光
路に定偏波光ファイバ１３を設け、その端を移動鏡に対
向して固定させるようにしである。

定偏波光ファイバは光の位相情報を伝達でき、移動鏡の
位置をビームスプリッタに対向させる必要がなく、移動
ステージと光学系とを自由に配置することができる。

なお、移動ステージを離すことにより測定光路が長くな
ると、ビート周期が短くなり１周期計数クロックとの比
から量子化誤差が増大する恐れがあるが、基準光路にも
定偏波光ファイバを用いて。

その先端部に全反射させるためのコーティング１４を施
し、前記測定光路の定偏波光ファイバと同程度の長さに
することによってビート周波数を下げ。

量子化誤差の増大を防止することができる。

〔発明の効果〕

このように１本発明によるとモードホップを起さない一
定範囲内で連続的に周波数変調した半導体レーザ光を用
い、距離に比例したビート信号の周期から絶対距離を演
算導出するため、たとえ障害物が光路中を一時的に通過
しても位置情報を失うことはなく９周期を計測するため
、測定クロックの周期を小さくして量子化誤差を小さく
することができ、精密な測定を行うことができ、さらに
。

光学系も簡単であるため、小形で安価な測長装置を提供
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構成を示すブロック
図、第２図は２本発明の他の実施例の要部を示すブロッ
ク図、第３図は従来のレーザ測長器の構成を示すブロッ
ク図、第４図は従来装置による干渉光の波形とパルスの
タイムチャートである。 １は周波数変調回路、２は半導体レーザ発振器。 ４はビームスプリッタ、５は参照鏡、６は移動鏡。 ７は受光器、８は周期計数回路、９は距離演算回路、１
３は定偏波光ファイバを示す。 第　１　図 第　２　圓 第４図 円　　　゛

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光の光干渉を利用した測長装置において、モード
   ポップを起さない範囲で周波数を連続的に一定割合の増
   減を繰り返すように変調させた半導体レーザ光を２方向
   に分岐し、一方の光ビームを基準光路端に設けた参照鏡
   に他方の光ビームを被測定物に固定した反射鏡に照射し
   て、それぞれの反射光をミキシングし、光の干渉によっ
   て発生するビート波の周期により前記反射鏡の距離を演
   算することを特徴とするレーザ測長装置。