JP2002365014A - 干渉計用のフィードバック位置制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光学干渉計の測定性能を向上させる位置制御シ
ステムを提供する。 【解決手段】干渉計(I)の可変アーム(A)内の光学エレメ
ント(18)の位置を、所定のモーションプロフィール(P)
に従って変えることが可能なフィードバック位置制御シ
ステム(20)及び方法(40)である。このシステム(20)及び
方法(40)は、可変アーム(A)における光学エレメント(1
8)の位置に応じて強度が変化する基準光信号(27)を検出
する。そして、検出した基準光信号(27)を受信して、検
出した基準光信号(27)からモーションプロフィールを
得、この得られたモーションプロフィールと所定のモー
ションプロフィール(P)を比較して、それらの差違に基
づいて制御信号(25)を生成する。制御信号(25)は、干渉
計(I)の可変アーム(A)における光学エレメント(18)の位
置を調整して、得られるモーションプロフィールと所定
のモーションプロフィール(P)との差違を最小にするた
めに使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置制御システム
に関し、特に、光学干渉計に用いる位置制御システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】光学干渉計は、基準光信号の既知の波長
に対する、対象とする光信号の波長内容（波長成分等）
を測定するために使われる。変調成分や他の複数の波長
成分を有する対象とする光信号についての干渉計の測定
精度と波長識別性能は、予め定められたモーションプロ
フィール（モーションプロファイルまたは運動プロフィ
ール：motion profile）に基づく干渉計の可変アーム内
の光学要素（光学エレメント）の位置を変化させること
によって改善することができる。オープンループ形式で
この光学要素の位置を変化させる従来技術による位置制
御システムは、光学要素の運動が予め定められたモーシ
ョンプロフィールに一致することを保証しない。光学要
素の運動が予め定められたモーションプロフィールから
ずれているとき、干渉計の測定精度と波長識別性能は低
下する。

【０００３】図１は、モーションコントローラ１２、モ
ータ１４、ドライバ１６、および、モータ１４に接続さ
れたエンコーダ１７を備えた従来技術の位置制御システ
ム１０を示している。制御システム１０の出力Ｏをリン
ク機構Ｌを介して干渉計（図示せず）の可変アームＡに
おける光学要素１８に結合することにより、この光学要
素１８の位置を変化させることができるので、干渉計に
よって、基準光信号の既知の波長に対する適用された
（すなわち、対象としている）光信号の波長内容を測定
することができる。この適用された光信号が変調成分ま
たは他の複数の波長成分を有しているときは、予め定め
られたモーションプロフィールに従って光学要素１８の
位置を変化させることにより、干渉計の測定精度及び波
長識別能力を改善することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の位置制御シ
ステムにおいては、モーションコントローラ１２、モー
タ１４、ドライバ１６、及びエンコーダ１７によって形
成される局部的なフィードバックループが、制御システ
ム１０の出力Ｏにおける運動が正確に制御されることを
保証するものの、光学要素１８は、オープンループ形式
で制御システム１０の出力Ｏの範囲を超えて制御され、
この光学要素１８の運動を正確に制御することを困難に
する。出力Ｏと光学要素１８間のリンク機構Ｌの伝達関
数におけるヒステリシス、バックラッシュおよび他の異
常により、光学要素１８の運動が予め定められたモーシ
ョンプロフィールからずれ、干渉計の測定精度及び波長
識別力が低下する。従来技術の位置制御システム１０
は、また、モータ１４の運動を検出するエンコーダ１７
に依存しているが、このことは、この種の従来技術の位
置制御システム１０を高価にするとともに複雑にしてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従って、光学要素の運動
（モーション）が予め定められたモーションプロフィー
ルに一致するように、干渉計の可変アーム内の光学要素
の位置を変化させる必要がある。この必要性は、本発明
の実施態様に従って構成されたフィードバック位置制御
システム及び方法によって達成される。

【０００６】本発明は、干渉計の可変アーム内の光学要
素の位置を、所定のモーションプロフィールに従って変
えることが可能な位置制御システム及び方法を提供す
る。本発明のシステム及び方法によれば、可変アームに
おける光学要素の位置に応じて強度が変化する基準光信
号が検出される。そして、検出した基準光信号を受信し
て、検出した基準光信号からモーションプロフィールを
得、この得られたモーションプロフィールと所定のモー
ションプロフィールを比較して、得られたモーションプ
ロフィールと所定のモーションプロフィールとの差違に
基づいて制御信号を生成する。制御信号は、干渉計の可
変アームにおける光学要素の位置を調整して、得られる
モーションプロフィールと所定のモーションプロフィー
ルとの差違を最小にするために使用される。

【発明の実施の形態】

【０００７】図２Ａ〜２Ｄは、本発明の第１の実施態様
に従って構成された干渉計Ｉのためのフィードバック位
置制御システム２０の構成例を示すものである。図２Ａ
に含まれている干渉計Ｉは、干渉計Ｉの入力ＩＮ２にお
ける基準光信号２３の既知の波長に対する、干渉計Ｉの
入力ＩＮ１における対象とする光信号２１の波長内容を
測定するように構成されている。この種の干渉計Ｉは、
Dennis Dericksonによって編集されたISBN 0-13-534330
-5、第４章、１３１〜１４３ページ「Fiber Optic Test
and Measurement」に記載されている。一般的に、入力
ＩＮ２における基準光信号２３がＨｅＮｅレーザまたは
他のタイプの光源により供給される場合、波長内容の測
定は、対象とする光信号２１に関連する干渉像（インタ
ーフェログラム）ＩＮＴ１を、基準光信号２３に関連す
る干渉像ＩＮＴ２と比較することを含む。干渉像ＩＮＴ
１とＩＮＴ２（図２Ｂに示されている）は、それぞれ、
光検出器Ｄ１、Ｄ２の端子Ｔ１、Ｔ２に現れる。通常、
サンプラー２４、フーリエ変換ユニット２６、及びディ
スプレイ／プロセッサ２８が、干渉計Ｉの光検出器Ｄ
１、Ｄ２に結合され、干渉像ＩＮＴ１、ＩＮＴ２を処理
して比較するために使用され、これによって、対象とし
て適用される光信号２１の波長内容を、干渉像ＩＮＴ
１、ＩＮＴ２から取り出して表示することができる。

【０００８】図２Ｂの干渉像ＩＮＴ１、ＩＮＴ２は、図
２Ａにおける干渉計Ｉの可変アームＡのコーナーキュー
ブ又はその他の反射体のような光学要素１８の位置を変
化させることによって得られる。（図２Ｃに示すよう
な）予め指定されたモーションプロフィールＰに従って
光学要素１８の位置を変化させることにより、対象とす
る光信号２１の波長内容を、その光信号２１が変調成分
または他の複数の波長成分を含んでいるときでも、正確
に測定することができる。この構成例における予め指定
されたモーションプロフィールＰは、干渉計Ｉの可変ア
ームＡ内の光学要素１８の速度対相対位置を示してい
る。この予め指定されたモーションプロフィールＰは、
一定の正の加速度セグメントＳ１と一定の負の加速度セ
グメントＳ２を含んでいる。予め指定されたモーション
プロフィールＰの１つあるいはそれ以上のセグメントＳ
１、Ｓ２の重なりは、捕捉インターバルＩＡＣＱであ
り、このインターバルにおいて、干渉像ＩＮＴ１、ＩＮ
Ｔ２のサンプルがサンプラー２４によって捕捉される。
図２Ｃに示す予め指定されたモーションプロフィールＰ
の代替例として、予め指定されたモーションプロフィー
ルＰは、光学要素１８の速度、加速度あるいはジャーク
と相対位置との関係を示す種々の形状のうちの１つであ
る。この場合、ジャークは、光学要素１８の加速度の時
間微分である。通常、予め指定されたモーションプロフ
ィールＰは、対象とする光信号２１の特性と干渉計Ｉに
よって実行される測定のパラメータに従って定められ
る。

【０００９】図２Ａに示されているフィードバック位置
制御システム２０は、基準光信号２３を検出した結果と
して端子Ｔ２において干渉像ＩＮＴ２を提供する光検出
器Ｄ２を有している。ここで、基準光信号２３は、干渉
計Ｉの可変アームＡにおける光学要素１８の位置に従っ
て変化する強度を有している。光検出器Ｄ２に結合され
たフィードバックプロセッサ３０は、検出された基準光
信号２７を受信して、この検出された基準光信号２７か
らモーションプロフィールを得る。フィードバックプロ
セッサ３０は、得られたモーションプロフィールを予め
指定されたモーションプロフィールＰと比較し、得られ
たモーションプロフィールと予め指定されたモーション
プロフィールＰとの間のずれに基づいて制御信号２５を
発生する。制御信号２５を、干渉計Ｉの可変アームＡに
おける光学要素１８の位置を調節するアクチュエータ３
２に与えて、得られたモーションプロフィールと予め指
定されたモーションプロフィールＰとの間のずれを最小
にする。制御信号２５は、フィードバック位置制御シス
テム２０内にネガティブフィードバックを形成して、得
られたモーションプロフィールと予め指定されたモーシ
ョンプロフィールＰとの間のずれを最小にする。

【０００１０】通常、フィードバック位置制御システム
２０内に含まれている光検出器Ｄ２とアクチュエータ３
２は、フィードバック位置制御システム２０が一体化さ
れている干渉計Ｉ内に含まれている光検出器とアクチュ
エータである。干渉計において、光検出器Ｄ２は、通
常、光学的な照明に応答して電気信号を発生するフォト
ダイオード又はその他の光学要素、センサあるいはシス
テムである。干渉計において、アクチュエータ３２は、
通常、モータの回転運動を直線運動に変換するリンク機
構Ｌを備えた回転モータであるので、干渉計Ｉの可変ア
ームＡ内の光学要素１８は、直線的に移動される。代替
的には、アクチュエータ３２は、与えられた制御信号２
５に応答して光学要素１８を移動するのに適した任意の
他のタイプの移動機構あるいは装置である。

【００１１】フィードバックプロセッサ３０は、アナロ
グハードウェアあるいはデジタルハードウェア、あるい
は、図２Ｄに示すようにアナログハードウエアおよびデ
ジタルハードウェアの組み合わせを用いて実施される。
代替的には、デジタルハードウェア、ソフトウェア、あ
るいは、デジタルハードウェアとソフトウェアの組み合
わせで実施されているフィードバックプロセッサ３０
が、サンプラー２４から干渉像ＩＮＴ２のサンプルを受
けとる。図２Ｄにおいて、フィードバックプロセッサ３
０は、波形コンディショナ３４とモーションプロセッサ
３６とを備えている。波形コンディショナ３４は、検出
された基準光信号２７を受け取る。検出された基準光信
号２７から、波形コンディショナ３４は、干渉計Ｉの可
変アームＡにおける光学要素１８の位置に対応した振幅
遷移を有するタイミング信号２９を発生する。図２Ｄに
示す波形コンディショナ３４は、閾値検出器、エッジ検
出器、ゼロ交差検出器、または、検出された基準光信号
２７からタイミング信号２９（この場合は方形波信号）
を発生することができる他のタイプの波形コンディショ
ニング回路、装置あるいはシステムのようなスクエアリ
ング回路３３を備える。オプションのデバイダー３５
が、波形コンディショナに設けられてタイミング信号２
９における振幅遷移のタイミングを調整する。

【００１２】この構成例において波形コンディショナ３
４とインターフェースしているモーションプロセッサ３
６は、米国、マサチューセッツ、レキシントンに所在し
ているPERFORMANCE MOTION DEVICESから入手することが
できるPILOT MOTION PROCESSOR FOR BRUSHED SERVO MOT
ION CONTROL、部品番号MC3110である。代替的には、モ
ーションプロセッサ３６は、タイミング信号２９を受
け、受け取ったタイミング信号２９からモーションプロ
フィールを得、得られたモーションプロフィールと予め
指定されたモーションプロフィールＰとを比較して制御
信号２５を発生することが可能な任意の他の回路、装置
またはシステムである。モーションプロセッサ３６は、
タイミング信号２９における振幅遷移のタイミングを用
いて光学要素１８のモーションプロフィールを得る。予
め指定されたモーションプロフィールＰが図２Ｃに示す
ような速度プロフィールであるとき、得られるモーショ
ンプロフィールは、光学要素の速度を示す速度プロフィ
ールである。予め指定されたモーションプロフィールＰ
が加速度プロフィールであるとき、得られるモーション
プロフィールは、光学要素の加速度を示す加速度プロフ
ィールである。予め指定されたモーションプロフィール
Ｐがジャークプロフィールであるとき、得られるモーシ
ョンプロフィールは、光学要素のジャークを示すジャー
クプロフィールである。モーションプロセッサ３６は、
得られたモーションプロフィールと予め指定されたモー
ションプロフィールＰとの比較を行い、得られたモーシ
ョンプロフィールと予め指定されたモーションプロフィ
ールＰとの間のずれを最小にすることが可能な制御信号
を発生して、光学要素１８の運動が予め指定されたモー
ションプロフィールＰに一致するようにする。

【００１３】本発明の代替実施態様において、フィード
バック位置制御システム２０は、以下に例示する方法に
従って実施される。図３は、本発明の第２の実施態様に
従って構成されたフィードバック位置制御方法４０のフ
ロー図である。フィードバック位置制御方法４０は、干
渉計の可変アームにおける光学要素の位置に従って強度
が変化する基準光信号を検出するステップ（ステップ４
１）と、検出された基準光信号を受け取るステップ（ス
テップ４２）と、検出された基準光信号からモーション
プロフィールを得るステップ（ステップ４３）を含む。
次いで、フィードバック位置制御方法４０は、得られた
モーションプロフィールと予め指定されたモーションプ
ロフィールとを比較し（ステップ４４）、得られたモー
ションプロフィールと予め指定されたモーションプロフ
ィールとの間のずれに基づいて制御信号を発生し（ステ
ップ４５）、得られたモーションプロフィールと予め指
定されたモーションプロフィールとの間のずれを最小に
するために、制御信号を用いて干渉計の可変アームにお
ける光学要素の位置を調節する（ステップ４６）。

【００１４】本発明のいくつかの実施態様について詳細
に説明したが、これらの好ましい実施態様に対して、特
許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱す
ることなく修正や変更を行い得るものであることは、当
業者には明らかであろう。

【００１５】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．干渉計（Ｉ）用の位置制御システム（２０）におい
て、前記干渉計（Ｉ）の可変アーム（Ａ）における光学
要素（１８）の位置に従って強度が変化する基準光信号
（２３）を検出する光検出器（Ｄ２）と、前記光検出器
（Ｄ２）に結合されたフィードバックプロセッサ（３
０）であって、検出された前記基準光信号（２７）を受
けとり、検出された前記基準光信号（２７）からモーシ
ョンプロフィールを得て、得られた前記モーションプロ
フィールを予め指定されたモーションプロフィール
（Ｐ）と比較し、得られた前記モーションプロフィール
と前記予め指定されたモーションプロフィール（Ｐ）と
の間のずれに基づいて制御信号（２５）を発生するフィ
ードバックプロセッサと、前記フィードバックプロセッ
サ（３０）に結合されたアクチュエータ（３２）であっ
て、前記制御信号（２５）を受けとり、前記干渉計
（Ｉ）の可変アーム（Ａ）における前記光学要素（１
８）の位置を調節して、得られたモーションプロフィー
ルと前記予め指定されたモーションプロフィール（Ｐ）
との間の前記ずれを最小にするアクチュエータを備え
る、位置制御システム（２０）。 ２．前記予め指定されたモーションプロフィール（Ｐ）
が、予め指定された速度プロフィール、予め指定された
加速度プロフィール、及び予め指定されたジャークプロ
フィールのうちの１つであり、前記予め指定されたモー
ションプロフィール（Ｐ）が予め指定された速度プロフ
ィールであるとき、得られるモーションプロフィール
は、速度プロフィールであり、前記予め指定されたモー
ションプロフィール（Ｐ）が予め指定された加速度プロ
フィールであるとき、得られるモーションプロフィール
は、加速度プロフィールであり、前記予め指定されたモ
ーションプロフィール（Ｐ）が予め指定されたジャーク
プロフィールであるとき、得られるモーションプロフィ
ールは、ジャークプロフィールであることからなる、上
項１に記載の位置制御システム（２０）。 ３．前記フィードバックプロセッサ（３０）が、前記検
出された基準光信号（２７）を受けとり、前記可変アー
ム（Ａ）における前記光学要素（１８）の位置に対応す
る振幅遷移を有するタイミング信号（２９）を発生する
波形コンディショナ（３４）と、発生された前記タイミ
ング信号（２９）を受けとり、前記タイミング信号にお
ける前記振幅遷移のタイミングに基づいて、得られた前
記モーションプロフィールを確立し、得られた前記モー
ションプロフィールを前記予め指定されたモーションプ
ロフィール（Ｐ）と比較して前記制御信号（２５）を発
生するモーションプロセッサ（３６）を備えることから
なる、上項１に記載の位置制御システム（２０）。 ４．前記フィードバックプロセッサ（３０）が、検出さ
れた前記基準光信号（２７）を受けとり、前記可変アー
ム（Ａ）における前記光学要素（１８）の位置に対応す
る振幅遷移を有するタイミング信号（２９）を発生する
波形コンディショナ（３４）と、発生された前記タイミ
ング信号（２９）を受けとり、前記タイミング信号にお
ける前記振幅遷移のタイミングに基づいて、得られた前
記モーションプロフィールを確立し、得られた前記モー
ションプロフィールを前記予め指定されたモーションプ
ロフィール（Ｐ）と比較して前記制御信号（２５）を発
生するモーションプロセッサ（３６）を備えることから
なる、上項２に記載の位置制御システム（２０）。 ５．前記波形コンディショナ（３４）が、前記タイミン
グ信号（２９）を方形波にするスクエアリング回路（３
３）を備えることからなる、上項３に記載の位置制御シ
ステム（２０）。 ６．前記波形コンディショナ（３４）が、前記タイミン
グ信号（２９）における前記振幅遷移のタイミングを調
節する周波数デバイダー（分周器）（３５）を備えるこ
とからなる、上項５に記載の位置制御システム（２
０）。 ７．前記波形コンディショナ（３４）が、前記タイミン
グ信号（２９）を方形波にするスクエアリング回路（３
３）を備えることからなる、上項４に記載の位置制御シ
ステム（２０）。 ８．前記波形コンディショナ（３４）が、前記タイミン
グ信号（２９）内の前記振幅遷移のタイミングを調節す
る周波数デバイダー（分周器）（３５）を備えることか
らなる、上項７に記載の位置制御システム（２０）。 ９．干渉計（Ｉ）のための位置制御方法（４０）であっ
て、前記干渉計の可変アームにおける光学要素の位置に
応じて強度が変化する基準光信号を検出するステップ
（ステップ４１）と、検出された前記基準光信号を受け
とるステップ（ステップ４２）と、検出された前記基準
光信号からモーションプロフィールを得るステップ（ス
テップ４３）と、得られた前記モーションプロフィール
を予め指定されたモーションプロフィールと比較するス
テップ（ステップ４４）と、得られた前記モーションプ
ロフィールと予め指定された前記モーションプロフィー
ルとの間のずれに基づいて制御信号を発生するステップ
（ステップ４５）と、前記制御信号を用いて、前記干渉
計の前記可変アーム内の前記光学要素の位置を調節し、
得られたモーションプロフィールと予め指定された前記
モーションプロフィールとの間のずれを最小にするステ
ップ（ステップ４６）を含む、方法。 １０．前記予め指定されたモーションプロフィール
（Ｐ）が、予め指定された速度プロフィール、予め指定
された加速度プロフィール、及び予め指定されたジャー
クプロフィールの１つであり、前記予め指定されたモー
ションプロフィール（Ｐ）が予め指定された速度プロフ
ィールであるとき、得られるモーションプロフィール
は、速度プロフィールであり、前記予め指定されたモー
ションプロフィール（Ｐ）が予め指定された加速度プロ
フィールであるとき、得られるモーションプロフィール
は、加速度プロフィールであり、前記予め指定されたモ
ーションプロフィール（Ｐ）が予め指定されたジャーク
プロフィールであるとき、得られるモーションプロフィ
ールは、ジャークプロフィールであることからなる、上
項９に記載の位置制御方法（４０）。

【００１６】本発明の概要は次のようである。干渉計
(I)の可変アーム(A)内の光学エレメント(18)の位置を、
所定のモーションプロフィール(P)に従って変えること
が可能なフィードバック位置制御システム(20)及び方法
(40)を開示する。このシステム(20)及び方法(40)は、可
変アーム(A)における光学エレメント(18)の位置に応じ
て強度が変化する基準光信号(27)を検出する。このシス
テム(20)及び方法(40)は、検出した基準光信号(27)を受
信して、検出した基準光信号(27)からモーションプロフ
ィールを得、この得られたモーションプロフィールと所
定のモーションプロフィール(P)を比較して、得られた
モーションプロフィールと所定のモーションプロフィー
ル(P)との差違に基づいて制御信号(25)を生成する。制
御信号(25)は、干渉計(I)の可変アーム(A)における光学
エレメント(18)の位置を調整して、得られるモーション
プロフィールと所定のモーションプロフィール(P)との
差違を最小にするために使用される。

【００１７】

【発明の効果】本発明の位置制御システム及び方法によ
れば、従来より簡単かつ安価に、光学干渉計の測定性能
を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の位置制御システムを示す。

【図２Ａ】本発明の第１の実施態様に従って構成された
フィードバック位置制御システムを示す。

【図２Ｂ】本発明の第１の実施態様に従って構成された
フィードバック位置制御システムを示す。

【図２Ｃ】本発明の第１の実施態様に従って構成された
フィードバック位置制御システムを示す。

【図２Ｄ】本発明の第１の実施態様に従って構成された
フィードバック位置制御システムを示す。

【図３】本発明の第２の実施態様に従って構成されたフ
ィードバック位置制御方法の流れ図である。

【符号の説明】 １８ 光学要素 ２０ 位置制御システム ２３ 基準光信号 ２５ 制御信号 ２７ 検出された基準光信号 ３０ フィードバックプロセッサ ３２ アクチュエータ Ａ 可変アーム Ｉ 干渉計 Ｐ モーションプロフィール

フロントページの続き (72)発明者 グレゴリー・エス・ヒル アメリカ合衆国カリフォルニア州95404, サンタローザ，ブルー・リッジ・トレイ ル・5374 Ｆターム(参考） 2F064 AA01 AA15 DD01 DD08 EE01 FF01 GG16 GG22 HH01 HH06 JJ01 2F065 AA02 AA20 BB15 CC21 FF51 GG05 HH04 HH13 JJ01 JJ05 JJ09 JJ18 LL17 NN20 QQ01 QQ25 QQ28 QQ30

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】干渉計（Ｉ）用の位置制御システム（２
   ０）において、 前記干渉計（Ｉ）の可変アーム（Ａ）における光学要素
   （１８）の位置に従って強度が変化する基準光信号（２
   ３）を検出する光検出器（Ｄ２）と、 前記光検出器（Ｄ２）に結合されたフィードバックプロ
   セッサ（３０）であって、検出された前記基準光信号
   （２７）を受けとり、検出された前記基準光信号（２
   ７）からモーションプロフィールを得て、得られた前記
   モーションプロフィールを予め指定されたモーションプ
   ロフィール（Ｐ）と比較し、得られた前記モーションプ
   ロフィールと前記予め指定されたモーションプロフィー
   ル（Ｐ）との間のずれに基づいて制御信号（２５）を発
   生するフィードバックプロセッサと、 前記フィードバックプロセッサ（３０）に結合されたア
   クチュエータ（３２）であって、前記制御信号（２５）
   を受けとり、前記干渉計（Ｉ）の可変アーム（Ａ）にお
   ける前記光学要素（１８）の位置を調節して、得られた
   モーションプロフィールと前記予め指定されたモーショ
   ンプロフィール（Ｐ）との間の前記ずれを最小にするア
   クチュエータを備える、位置制御システム（２０）。