JP2006105669A - レーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりも高速に、被対象物の変位を正確に測定することができるレーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置を提供する。
【解決手段】 正弦波状に変調した注入電流i（t）をレーザ光源10に入力する。レーザ光源10からの光は、被対象物Ｏの表面とファイバ32の出射端面に各々反射して干渉し、この干渉光がフォトダイオード41によって電気的な干渉信号S（t）に変換される。レーザ光源10に入力する注入電流i（t）は、急激な立上がりや立下りのない正弦波状の変化を繰り返すため、干渉信号S（t）を正しくサンプリング取得できる。そのため、当該サンプリング取得した複数の干渉信号S（t）の演算処理によって、被対象物Ｏの変位を正しく測定できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば精密加工機や精密測定器において、工作物，切削器具，測定対象物などの変位位置を精密に設定するのに用いられるレーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置に関する。

一般に、この種の干渉計は、光源からの光を分割させて被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、被対象物表面からの物体光と参照面からの参照光を合成して干渉させる干渉光学系と、この干渉光学系の検出面で得られる干渉光を電気信号に変換する光電変換手段とを備え、２つの光波の位相差または光路長の差を光の強度に変換することで、光の波長を単位とした超精密測定を実現している。特に、被対象物に対しては非接触での測定が可能になることから、精密加工機や精密測定器などを扱う加工現場では、有効な測定手段として利用されている。

こうした干渉計による変位測定装置として、例えば特許文献１には、単一波長を有する光源として半導体レーザを用いた干渉光学系を用意し、被対象物の表面がλ／２(λは半導体レーザの発振波長)だけ変位する毎に、光電変換手段で得られる干渉信号の強弱が１周期変化するのを利用して、被対象物の変位を微細に測定するものが開示されている。
特開平４−１６９８１７号公報

上述の変位測定装置では、特許文献１のように干渉光学系において単一の波長だけを用いるよりも、レーザ光の波長を連続的に変化させ、被対象物の変位を干渉光による位相のずれとして捕えた方が、より正確な変位の測定を行なうことが可能である。そこで従来は、半導体レーザの注入電流i（t）として図７に示すような鋸波状の変調電流を入力し、当該半導体レーザの発振周波数を変調して干渉信号を得るものが知られていた。

ところが、半導体レーザに入力する変調電流の周波数ｆｃが高くなり、図７に示す注入電流i（t）の周期Ｔｃが４μSec（ｆｃ＝250ｋＨｚ）程度になると、鋸波の急激な立下りの部分において、変調に対応した干渉信号が得られなくなり、より高速な変位の測定ができないという問題を有していた。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、従来よりも高速に、被対象物の変位を正確に測定することができるレーザ干渉変位測定方法およびレーザ干渉変位測定装置を提供することをその目的とする。

請求項１におけるレーザ干渉変位測定方法は、正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力し、波長を時間的に変化させながら当該レーザ光源から光を発生させる第１の工程と、前記光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る第２の工程と、前記干渉光を電気的な干渉信号に変換する第３の工程と、前記正弦波状の変調周波数を基準として一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する第４の工程と、を含むことを特徴としている。

この場合、正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力することで、レーザ光源から発生する光の波長も正弦波状に変化する。当該レーザ光源からの光は、被対象物の表面と参照面に各々反射して干渉し、この干渉光が電気的な干渉信号に変換されるが、レーザ光源に入力する注入電流は、急激な立上がりや立下りのない正弦波状の変化を繰り返すため、注入電流の変調周波数が例えば1.5ＭＨｚ程度にまで高くなっても、干渉信号を正しくサンプリング取得することができる。そのため、正弦波状の変調周波数を基準として、被対象物の変位する時間よりも短い間隔で干渉信号をサンプリング取得すれば、当該サンプリング取得した複数の干渉信号の演算処理により、被対象物の変位を正しく測定することができる。

そして、このような作用効果は、レーザ光源からの光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る干渉光学系と、前記干渉光学系により得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する第１の光電変換手段と、前記レーザ光源に正弦波状に変調した注入電流を与え、波長が時間的に変化する光を前記レーザ光源から発生させる変調電流生成手段と、前記正弦波状の変調周波数を基準として一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する信号処理手段と、を備えた請求項５のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。

請求項２におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第５の工程と、前記第３の工程における干渉信号を前記検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る第６の工程と、をさらに含み、前記第４の工程は、前記第６の工程で得た時間的な光強度変化を除去した干渉信号をサンプリング取得することを特徴としている。

正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力すると、レーザ光源からの光の波長だけでなく強度も時間と共に変化する。そこで、このレーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換し、別の干渉光から得られた干渉信号を当該検出信号で除算して、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得るようにすれば、被対象物の変位測定にとって不必要なレーザ光源の光強度変化の影響を、効果的に排除することができる。

そして、このような作用効果は、前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第２の光電変換手段と、前記第１の光電変換手段で得た干渉信号を前記第２の光電変換手段で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る割算器と、をさらに備えた請求項６のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。

請求項３におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記注入電流i（t）が次のように表され、

（但し、I_０は電流基準値であると共に、a，ω_ｃ，ｔはそれぞれ、正弦波状変調の振幅，角周波数，時間である。）
前記レーザ光源の波長λ（t）が、次のように表され、

（但し、λ_０は中心波長、βは変調効率である。）
さらに前記時間的な光強度変化を除去した干渉信号S_D（t）が、次のように表されるときに、

（但し、Ａ，Ｂは定数、Ｚは変調振幅、αは位相で、前記参照面から前記被対象物の表面までの距離をＰとすると、変調振幅Ｚと位相αは次のように表せる。）

前記第４の工程で、前記cosω_Ｃｔが０，１／２，１，−１／２のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３から前記定数Ａ，Ｂを消去して前記位相αを求め、被対象物の変位を測定することを特徴としている。

この場合、注入電流i（t）は電流基準値I_０を中心として正弦波状に変調され、レーザ光源の波長λ（t）も、λ_０を中心波長として時間と共に正弦波状に変化する。ここで時間的な光強度変化を除去した干渉信号S_D（t）の値を、cosω_Ｃｔの値が０，１／２，１，−１／２の時点でそれぞれＳ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３として取得すれば、簡単な演算処理によって定数Ａ，Ｂを消去して、距離Ｐに関連した位相αを求め、被対象物の変位を測定することが可能になる。

そして、このような作用効果は、前記cosω_Ｃｔが０，１／２，１，−１／２のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３から前記定数Ａ，Ｂを消去して前記位相αを求め、被対象物の変位を測定する信号処理手段を備えた請求項７のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。

請求項４におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記第４の工程で、前記cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４をさらにサンプリング取得すると共に、（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように前記振幅aを調整することによって、常にＺ＝πとするフィードバック制御を行なう第７の工程をさらに含んだことを特徴としている。

この場合、前記干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３に加えて、cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４を取得し、（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように振幅aの量をフィードバック制御すれば、変調振幅Ｚは位相αを求めるのに必要な条件である一定値（＝π）となって、正確に被対象物の変位を測定することが可能になる。

そして、このような作用効果は、前記cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４をさらにサンプリング取得すると共に、（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように前記振幅aを調整することによって、常にＺ＝πとするフィードバック制御を行なう信号処理手段を備えた請求項８のレーザ干渉変位測定装置でも実現できる。

請求項１のレーザ干渉変位測定方法及び請求項５のレーザ干渉変位測定装置によれば、注入電流の変調周波数が高くなっても、干渉信号を正しくサンプリング取得することが可能になり、従来よりも高速に被対象物の変位を正確に測定することができる。

請求項２のレーザ干渉変位測定方法及び請求項６のレーザ干渉変位測定装置によれば、被対象物の変位測定にとって不必要なレーザ光源の光強度変化の影響を、効果的に排除することができる。

請求項３のレーザ干渉変位測定方法及び請求項７のレーザ干渉変位測定装置によれば、簡単な演算処理によって定数Ａ，Ｂを消去して、距離Ｐに関連した位相αを求め、被対象物の変位を測定することが可能になる。

請求項４のレーザ干渉変位測定方法及び請求項８のレーザ干渉変位測定装置によれば、変調振幅Ｚが位相αを求めるのに必要な条件であるＺ＝πの一定値となるため、正確に被対象物の変位を測定することが可能になる。

以下、本発明に係るレーザ干渉計を利用した変位測定方法および変位測定装置の好ましい実施例について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。装置の全体構成を示す図１において、１はフィゾー型の干渉光学系を構成するレーザ干渉計であり、このレーザ干渉計１は、レーザ光源である半導体レーザ10と、半導体レーザ10からの出射光を集光するレンズ21と、光路を形成するファイバ31〜34およびファイバカプラ35と、ファイバ32の先端に連結され、被対象物Ｏの表面に対向して配置されるセルフォックレンズ22と、をそれぞれ備えている。前記ファイバ31〜34は、いずれもその基端が光の分離・結合機能を有するファイバカプラ35に連結され、ファイバ31の先端が前記レンズ21に対向配置される一方で、ファイバ33，34の先端には光電変換手段であるフォトダイオード41，42がそれぞれ連結される。なお、この実施例では光路中に光ファイバ31〜34を配設することにより、セルフォックレンズ22やフォトダイオード41，42などを自由な位置に配置できる柔軟な干渉光学系を構成しているが、ファイバ31〜34を用いない干渉光学系であってもよい。

本実施例におけるレーザ干渉計１は、半導体レーザ10からの出射光がレンズ21によりファイバ31の端面に集光され、当該ファイバ31を通してファイバカプラ35によりファイバ32，33へとそれぞれ分配される。ここで、ファイバ32の通過光はセルフォックレンズ22が取り付けられた参照面としての出射端面で一部が反射し、参照光となる。また、セルフォックレンズ22を通過した光は平行光となって被対象物Ｏの表面を照射し、この被対象物Ｏの表面からの反射光が物体光としてセルフォックレンズ22に戻る。ファイバ32，ファイバカプラ35およびファイバ34は、前記物体光と参照光との共通する伝送路となり、ファイバ34の端面に配置されたフォトダイオード41の検出面上に、これらの物体光および参照光が干渉するようになっている。一方、前記ファイバカプラ35による分配されたファイバ33の通過光は、別なフォトダイオード41の検出面上に達するようになっている。

前記フォトダイオード41は、前記物体光と参照光との干渉光を検出面に取り込み、干渉信号S（t）を得る第１の光電変換手段に相当する。また別のフォトダイオード42は、ファイバカプラ35により分配された半導体レーザ10からの出射光の一部を検出面に取り込み、半導体レーザ10の時間的な光強度変化I（t）を表す検出信号を得る第２の光電変換手段に相当する。これらのフォトダイオード41，42で検出された各電気信号は、何れも後述する割算器43にそれぞれ入力される。

51は、フォトダイオード41，42からの各検出結果に基づいて、半導体レーザ10の注入電流i（t）を制御するフィードバック制御装置である。このフィードバック制御装置51は、前記フォトダイオード41により検出される干渉信号S（t）を、時間的な光強度変化I（t）を表す検出信号で除算することにより、時間的な光強度変化I（t）の影響を除去した干渉信号S_D（t）を出力する割算器43と、割算器43から出力される干渉信号S_D（t）の位相αを求め、ファイバ32の出射端面と被対象物Ｏの表面との間の距離Ｐの変化、すなわち被対象物Ｏの変位量を算出すると共に、前記干渉信号S_D（t）に含まれる変調振幅Ｚの変化を検出し、その変化に応じたフィードバック信号Ｓ_Fを生成する信号処理器44と、半導体レーザ10の発振波長が正弦波状に変化するような注入電流i（t）を生成し、かつ前記フィードバック信号Ｓ_Fにより、距離Ｐの変化に対して干渉信号S_D（t）の変調振幅Ｚが一定に保たれるように、半導体レーザ10の注入電流i（t）の振幅aをフィードバック制御するフィードバック制御器45と、により構成される。

なお、上記構成の変位測定装置において、レーザ干渉計１は、半導体レーザ10からの出射光と、被対象物Ｏの表面からの反射光との干渉光をフォトダイオード41で検出する一方で、前記半導体レーザ10の光強度変化を別なフォトダイオード42で検出できるあらゆる干渉光学系に適用できる。また、ここでの光電変換素子は、時間変化する光強度を短時間で測定できればよいので、フォトダイオード41，42のような追従性のよい単独の光電変換素子を用いるのが好ましい。

次に、上記構成についてその動作原理を説明する。先ず、半導体レーザ10の発振波長を角周波数ω_ｃで正弦波状に変調するために、フィードバック制御器45は半導体レーザ10に対し次の数１３のような注入電流i（t）を印加する。

上式において、I_０は電流基準値、aは振幅、ｔは時間であり、半導体レーザ10への注入電流i（t）は、時間ｔにより上限値I_０＋aと下限値I_０−aの範囲で正弦波状に変化する。また、変調効率をβとすると、前記注入電流i（t）が与えられた半導体レーザ10の波長λ（t）は、次の数１４のように表され、これも時間ｔにより上限値λ_０＋βaと下限値λ_０−βaの範囲で正弦波状に変化する。一例として、注入電流i（t）を80±１ｍＡ変化させた場合の、半導体レーザ10の波長λ（t）（ひいては位相）のシフト量は0.02ｎｍ程度である。

上記数１４において、λ_０は中心波長である。半導体レーザ10は上式のように、波長λ（t）すなわち発振周波数が時間的に変化するが、その光出力強度にも時間的変化が生じている。この時間的な光強度の変化は被対象物Ｏの変位測定にとって邪魔になるので、後段のフィードバック制御装置51に設けられた割算器43で除去する。

前記レーザ干渉計１において、注入電流i（t）が与えられた半導体レーザ10からレーザ光が出射されると、この出射光がレンズ21によりファイバ31の端面に集光され、ファイバカプラ35の内部でファイバ32，33にそれぞれ分配される。ファイバ33を通過する光は、そのままフォトダイオード42の検出面に達し、半導体レーザ10の時間的な光強度変化I（t）を示す検出信号に変換される。一方、ファイバ32を通過する光は、ファイバ32の出射端面で一部が反射して参照光となるが、残りの光はセルフォックレンズ22を通過し、平行光となって被対象物Ｏの表面に到達する。この被対象物Ｏの表面で反射した光は、物体光として参照光と共にセルフォックレンズ22からファイバ32を逆戻りし、ファイバ34を通過してフォトダイオード41の検出面上で干渉する。フォトダイオード41は、この干渉光を干渉信号S（t）に変換して出力する。

フィードバック制御装置51を構成する信号処理器44は、セルフォックレンズ22から被対象物Ｏの表面に至る距離Ｐの変化を、フォトダイオード41で検出した干渉信号S（t）から測定する。但し、干渉信号S（t）の振幅には半導体レーザ10の時間的な光強度変化I（t）の影響を受けているため、信号処理器44における測定の前段階として、割算器43により干渉信号S（t）を時間的な光強度変化I（t）で除算し、時間的な光強度変化I（t）の影響を除去した干渉信号S_D（t）を得る。この干渉信号S_D（t）は、次の数１５で表わせる。

なお、上式においてＡおよびＢは定数である。また、Ｚは変調振幅、αは従来の位相であり、それぞれ次の数１６のように表わせる。

図２は、前記数１５における変調周波数成分Ｚcosω_Ｃｔの信号をグラフで示したもので、当該Ｚcosω_Ｃｔの値はＺ〜−Ｚの範囲を正弦波状に変化する。ここでのフィードバック制御装置51は、変調周波数の１周期に対し８分の１の間隔（ω_Ｃｔ＝π／４毎）で、干渉信号S_D（t）をサンプリング取得するのが好ましい。具体的には、図２に示すように、cosω_Ｃｔ＝０における干渉信号の値Ｓ_０と、cosω_Ｃｔ＝１／２における干渉信号の値Ｓ_１と、cosω_Ｃｔ＝１における干渉信号の値Ｓ_２と、cosω_Ｃｔ＝−１／２における干渉信号の値Ｓ_３と、cosω_Ｃｔ＝−１における干渉信号の値Ｓ_４を各々検出する。このとき、干渉信号Ｓ_０〜Ｓ_４の値は、次のようになる。

ここで、Ｚ＝πのときには、Ｓ_Ｃ＝Ｓ_０−Ｓ_２＝２Ｂcosαとなり、Ｓ_Ｓ＝Ｓ_３−Ｓ_１＝２Ｂsinαとなるので、Ｓ_ＣとＳ_Ｓの各値から定数Ｂを消去して位相αを求め、上記数１６の位相αと距離Ｐの関係から、被対象物Ｏの変位を測定することができる。また、前記変調振幅Ｚは、数４に示すように距離Ｐによって変化するため、距離Ｐが変化しても変調振幅Ｚの値が一定となるように（好ましくはＺ＝πとなって、信号処理器44により位相αが正確に求められるように）、信号処理器44は前記サンプリングされた干渉信号S_D（t）の各値から、半導体レーザ10に対する注入電流i（t）の振幅aを可変制御するフィードバック信号Ｓ_Ｆを生成する。

このフィードバック信号Ｓ_Ｆの生成手順は次のようになる。まず、サンプリングで検出した干渉信号の値Ｓ_１〜Ｓ_４を利用して、Ｓ_Ｚ＝Ｓ_４−Ｓ_２と、Ｓ_ＳＺ＝Ｓ_３−Ｓ_１の各値を算出する。Ｓ_ＺおよびＳ_ＳＺの各値は、上記数１７から次のように導き出せる。

次に、Ｓ_ＳＺ≠０であれば、Ｓ_Ｚの値をＳ_ＳＺの値で除算したフィードバック信号Ｓ_Ｆを得る。すなわち、フィードバック信号Ｓ_Ｆは次の数式のようになる。

したがって、フィードバック信号Ｓ_Ｆ＝０となるように、半導体レーザ10の注入電流i（t）をフィードバック制御すれば、距離Ｐの変化に拘らずＺ＝πの関係が保たれて、前記Ｓ_ＣとＳ_Ｓの各値から位相αを正しく算出することが可能になる。

上記位相αの算出を可能にするフィードバック制御装置51の一例を、図３に示す。同図において、好ましい構成の信号処理器44は、変調周波数の１周期に対し８分の１の間隔で干渉信号S_D（t）をサンプリング取得するサンプリング手段61と、このサンプリング手段61で取得した干渉信号の各値Ｓ_０〜Ｓ_３から位相αを求め、被対象物Ｏの変位量を算出する変位量算出手段62と、距離Ｐが変化しても変調振幅Ｚの値が一定となるように、半導体レーザ10に対する注入電流i（t）の振幅aを調整する注入電流調整手段63と、を備えている。

より具体的には、サンプリング手段61は、半導体レーザ10の波長λ（t）を正弦波状に変調させる際のcosω_Ｃｔの値が０，１／２，１，−１／２，−１の時点（例えば、変調周波数の位相が０，π／４，π／２，３π／４，πの時点）で、干渉信号S_D（t）の値をそれぞれ、Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４としてサンプリング取得するものである。また、変位量算出手段62は、前記Ｓ_０およびＳ_２の各値から、Ｓ_Ｃ（＝Ｓ_０−Ｓ_２）の値を算出する第１の減算手段65と、Ｓ_１およびＳ_３の各値から、Ｓ_Ｓ（＝Ｓ_３−Ｓ_１）の値を算出する第２の減算手段66と、Ｓ_ＣとＳ_Ｓの各値から定数Ｂを消去して位相αを求め、上記数４の位相αと距離Ｐの関係から、被対象物Ｏの変位を算出する変位量演算手段67とを備えている。さらに、注入電流調整手段63は、前記Ｓ_２およびＳ_４の各値から、Ｓ_Ｚ（＝Ｓ_４−Ｓ_２）の値を算出する第３の減算手段68と、Ｓ_１およびＳ_３の各値から、Ｓ_ＳＺ（＝Ｓ_３−Ｓ_１）の値を算出する第４の減算手段69と、Ｓ_ＳＺが０でない時に、フィードバック信号Ｓ_Ｆ（＝Ｓ_Ｚ／Ｓ_ＳＺ）の値を算出する割算手段70と、この割算手段70で得たフィードバック信号Ｓ_Ｆの値が０になるように、最適な振幅aの値を算出する振幅量演算手段71とを備えている。なお、第２の減算手段66と第４の減算手段69は同じ値（Ｓ_３−Ｓ_１）を算出するものであるため、共通の減算手段で構成してもよい。また、変位量演算手段67で得た被対象物Ｏの変位量は、表示手段，印刷手段または報知手段などに任意の形態で出力される。

次に、本実施例の変位測定装置を利用した実験結果の一例を提示する。なお、実験では被対象物Ｏを擬似的に変位させるために、ＰＺＴなどの圧電素子を被対象物Ｏに取り付けた。また、使用した半導体レーザ10の中心波長λ_０は690ｎｍ，光出力は25ｍＷであった。ファイバ32の出射端面と被対象物Ｏの表面との間の距離Ｐを25ｍｍにまで近づけた場合に、Ｚ＝πの関係が保たれる正弦波位相変調の周波数が、ｆ_ｃ＝ω_Ｃ／２πの上限値となる。現在の実験では、上限変調周波数ｆ_ｃ＝1.5ＭＨｚ程度である。位相αの値は、前記サンプリングした干渉信号の値Ｓ_０〜Ｓ_３を利用して求められるので、測定時間は上限変調周波数ｆ_ｃの3／8周期（0.25μSec）、すなわち周波数に換算すると、（8／3）×ｆ_ｃ＝４ＭＨｚとなり、従来よりも遥かに短い時間で、被対象物Ｏの変位を正しく測定できることになる。

前記距離Ｐが50ｍｍのときに、Ｚ＝πとなる干渉信号S_D（t）が得られるように、注入電流i（t）の振幅aを調整し、そのときフィードバック信号Ｓ_Ｆ＝０になることを確認した。また、距離Ｐを40ｍｍ〜60ｍｍの範囲で変化させたときに、フィードバック制御によりフィードバック信号Ｓ_Ｆ＝０が保たれることも確認した。

実験では、被対象物Ｏに取り付けた圧電素子に対し、０〜Ｖ_ＭまでＶ_Ｍ／８ずつ段階的に電圧を加えてゆき、距離Ｐにλ_０／16毎の変化を与え、位相αを０〜２πの範囲で測定した。図４〜図６は、距離Ｐが40ｍｍ，50ｍｍ，60ｍｍのときの位相αの測定結果をそれぞれ示している。図中、実線は理論値で、プロットが実験値である。実験値と理論値との差異から測定精度を求めた結果、距離Ｐ＝50ｍｍの場合は±10ｎｍ，距離Ｐ＝40ｍｍの場合は±18ｎｍ，距離Ｐ＝60ｍｍの場合は±20ｎｍであった。

実際は、1.5ＭＨｚの高い変調周波数と、変調振幅Ｚを一定とするフィードバック制御を行なうことにより、距離Ｐが20ｍｍ〜100ｍｍの位置にある被対象物Ｏの変位を、0.25μSecの短い測定時間で、10ｎｍの高い精度で測定することが可能になる。

以上のように、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、正弦波状に変調した注入電流i（t）をレーザ光源10に入力し、波長λ（t）を時間的に変化させながら当該レーザ光源10から光（コヒーレンス光）を発生させる第１の工程と、前記光を分割して被対象物Ｏの表面と参照面であるファイバ32の出射端面に各々反射させた後、被対象物Ｏの表面からの物体光とファイバ32の出射端面からの参照光とを合成して、干渉光を得る第２の工程と、前記干渉光を電気的な干渉信号S（t）に変換する第３の工程と、前記正弦波状の変調周波数を基準として、前記第３の工程で得た干渉信号S（t）を一定間隔でサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して被対象物Ｏの変位を測定する第４の工程と、を含んでいる。

またこの方法を実現するために、本実施例では、レーザ光源10からの光を分割して被対象物Ｏの表面とファイバ32の出射端面に各々反射させた後、被対象物Ｏの表面からの物体光とファイバ32の出射端面からの参照光とを合成して、干渉光を得る干渉光学系としてのレーザ干渉計１と、レーザ干渉計１により得られる干渉光を電気的な干渉信号S（t）に変換する第１の光電変換手段としてのフォトダイオード41と、レーザ光源10に正弦波状に変調した注入電流i（t）を与え、波長λ（t）が時間的に変化する光をレーザ光源10から発生させる変調電流生成手段としてのフィードバック制御器45と、前記正弦波状の変調周波数を基準として、一定間隔で前記干渉信号S（t）をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して被対象物Ｏの変位を測定する信号処理手段としての信号処理器44と、を備えたレーザ干渉変位測定装置を提供している。

上記方法及び装置によれば、正弦波状に変調した注入電流i（t）をレーザ光源10に入力することで、レーザ光源10から発生する光の波長λ（t）も正弦波状に変化したものとなる。レーザ光源10からの光は、被対象物Ｏの表面とファイバ32の出射端面に各々反射して干渉し、この干渉光がフォトダイオード41によって電気的な干渉信号S（t）に変換されるが、レーザ光源10に入力する注入電流i（t）は、急激な立上がりや立下りのない正弦波状の変化を繰り返すため、注入電流i（t）の変調周波数が例えば1.5ＭＨｚ程度にまで高くなっても、干渉信号S（t）を正しくサンプリング取得することができる。そのため、正弦波状の変調周波数を基準として、被対象物Ｏの変位する時間よりも短い間隔で干渉信号S（t）をサンプリング取得すれば、このサンプリング取得した複数の干渉信号S（t）の演算処理により、被対象物Ｏの変位を正しく測定できる。

また、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、レーザ光源10の光強度変化I（t）を電気的な検出信号に変換する第５の工程と、前記第３の工程における干渉信号S（t）を第５の行程で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化I（t）を除去した干渉信号S_D（t）を得る第６の工程と、をさらに含み、前記第４の工程は、第６の工程で得た時間的な光強度変化I（t）を除去した干渉信号S_D（t）をサンプリング取得することを特徴としている。

同様に、本実施例におけるレーザ干渉変位測定装置は、レーザ光源10の光強度変化I（t）を電気的な検出信号に変換する第２の光電変換手段としてのフォトダイオード42と、 フォトダイオード41で得た干渉信号S（t）をフォトダイオード42で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化I（t）を除去した干渉信号S_D（t）を得る割算手段としての割算器43と、をさらに備えている。

この場合、正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源10に入力すると、レーザ光源10からの光の波長λ（t）だけでなく強度も時間と共に変化する。そこで、このレーザ光源10の光強度変化I（t）をフォトダイオード42で電気的な検出信号に変換し、別のフォトダイオード41にて干渉光から得られた干渉信号を当該検出信号で除算して、時間的な光強度変化I（t）を除去した干渉信号S_D（t）を得るようにすれば、被対象物Ｏの変位測定にとって不必要なレーザ光源10の光強度変化の影響を、効果的に排除することができる。

また、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、注入電流i（t）が前記数１３のように表され、レーザ光源10の波長λ（t）が前記数１４のように表され、時間的な光強度変化を除去した干渉信号S_D（t）が数１５のように表されるときに、前記第４の工程で、前記cosω_Ｃｔが０，１／２，１，−１／２のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３から数１５に含まれる定数Ａ，Ｂを消去して、距離Ｐに関連した位相αを求め、被対象物Ｏの変位を測定することを特徴としている。

同様に、本実施例におけるレーザ干渉変位測定装置は、前記cosω_Ｃｔが０，１／２，１，−１／２のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３から前記定数Ａ，Ｂを消去して前記位相αを求め、被対象物Ｏの変位を測定するような信号処理器44を備えている。

この場合、注入電流i（t）は電流基準値I_０を中心として正弦波状に変調され、レーザ光源の波長λ（t）も、λ_０を中心波長として時間と共に正弦波状に変化する。ここで時間的な光強度変化を除去した干渉信号S_D（t）の値を、cosω_Ｃｔの値が０，１／２，１，−１／２の時点でそれぞれＳ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３として取得すれば、簡単な演算処理によって定数Ａ，Ｂを消去して、距離Ｐに関連した位相αを求め、被対象物Ｏの変位を測定することが可能になる。

また、本実施例におけるレーザ干渉変位測定方法は、前記第４の工程で、前記cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４をさらにサンプリング取得すると共に、（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように前記振幅aを調整することによって、常にＺ＝πとするフィードバック制御を行なう第７の工程をさらに含んだことを特徴としている
同様に、本実施例におけるレーザ干渉変位測定装置は、前記cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４をさらにサンプリング取得すると共に、（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように前記振幅aを調整することによって、常にＺ＝πとするフィードバック制御を行なうような信号処理器44を備えている。

この場合、前記干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３に加えて、cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４を取得し、フィードバック信号Ｓ_Ｆ＝（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように、注入電流i（t）の振幅aの量をフィードバック制御すれば、変調振幅Ｚは位相αを求めるのに必要な条件である一定値（＝π）となって、正確に被対象物Ｏの変位を測定することが可能になる。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば注入電流i（t）を変化させることにより、その発振波長λ（t）が変化するものならば、半導体レーザ10以外の各種光源を利用することができる。また、割算器43としての機能を、信号処理器44に含ませてもよい。

本発明の好ましい一実施例におけるレーザ干渉変位測定装置の全体構成を示す概略説明図である。 同上、位相変調信号の時間変化を示すグラフである。 同上、信号処理器の機能構成を示すブロック図である。 同上、距離Ｐ＝40ｍｍのときの、圧電素子への印加電圧と位相αとの関係を示すグラフである。 同上、距離Ｐ＝50ｍｍのときの、圧電素子への印加電圧と位相αとの関係を示すグラフである。 同上、距離Ｐ＝60ｍｍのときの、圧電素子への印加電圧と位相αとの関係を示すグラフである。 従来例を示す半導体レーザに対する変調信号の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ レーザ干渉計（干渉光学系）
10 レーザ光源
41 フォトダイオード（第１の光電変換手段）
42 フォトダイオード（第２の光電変換手段）
43 割算器（割算手段）
44 信号処理器（信号処理手段）
45 フィードバック制御器（変調電流生成手段）
Ｏ 被対象物

Claims (8)

1. 正弦波状に変調した注入電流をレーザ光源に入力し、波長を時間的に変化させながら当該レーザ光源から光を発生させる第１の工程と、
   前記光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る第２の工程と、
   前記干渉光を電気的な干渉信号に変換する第３の工程と、
   前記正弦波状の変調周波数を基準として一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する第４の工程と、を含むことを特徴とするレーザ干渉変位測定方法。
2. 前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第５の工程と、
   前記第３の工程における干渉信号を前記検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る第６の工程と、をさらに含み、
   前記第４の工程は、前記第６の工程で得た時間的な光強度変化を除去した干渉信号をサンプリング取得することを特徴とするレーザ干渉変位測定方法。
3. 前記注入電流i（t）が次のように表され、
   

   

   
   （但し、I_０は電流基準値であると共に、a，ω_ｃ，ｔはそれぞれ、正弦波状変調の振幅，角周波数，時間である。）
   前記レーザ光源の波長λ（t）が、次のように表され、
   

   

   
   （但し、λ_０は中心波長、βは変調効率である。）
   さらに前記時間的な光強度変化を除去した干渉信号S_D（t）が、次のように表されるときに、
   

   

   
   （但し、Ａ，Ｂは定数、Ｚは変調振幅、αは位相で、前記参照面から前記被対象物の表面までの距離をＰとすると、変調振幅Ｚと位相αは次のように表せる。）
   

   

   
   前記第４の工程で、前記cosω_Ｃｔが０，１／２，１，−１／２のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３から前記定数Ａ，Ｂを消去して前記位相αを求め、被対象物の変位を測定することを特徴とする請求項２記載のレーザ干渉変位測定方法。
4. 前記第４の工程で、前記cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４をさらにサンプリング取得すると共に、
   （Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように前記振幅aを調整することによって、常にＺ＝πとするフィードバック制御を行なう第７の工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載のレーザ干渉変位測定方法。
5. レーザ光源からの光を分割して被対象物の表面と参照面に各々反射させた後、前記被対象物表面からの物体光と前記参照面からの参照光を合成して干渉光を得る干渉光学系と、
   前記干渉光学系により得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する第１の光電変換手段と、
   前記レーザ光源に正弦波状に変調した注入電流を与え、波長が時間的に変化する光を前記レーザ光源から発生させる変調電流生成手段と、
   前記正弦波状の変調周波数を基準として一定間隔で前記干渉信号をサンプリング取得し、このサンプリング取得した信号を演算処理して前記被対象物の変位を測定する信号処理手段と、を備えたことを特徴とするレーザ干渉変位測定装置。
6. 前記レーザ光源の光強度変化を電気的な検出信号に変換する第２の光電変換手段と、
   前記第１の光電変換手段で得た干渉信号を前記第２の光電変換手段で得た検出信号で除算し、時間的な光強度変化を除去した干渉信号を得る割算手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載のレーザ干渉変位測定装置。
7. 前記注入電流i（t）が次のように表され、
   

   

   
   （但し、I_０は電流基準値であると共に、a，ω_ｃ，ｔはそれぞれ、正弦波状変調の振幅，角周波数，時間である。）
   前記レーザ光源の波長λ（t）が、次のように表され、
   

   

   
   （但し、λ_０は中心波長、βは変調効率である。）
   さらに前記時間的な光強度変化を除去した干渉信号S_D（t）が、次のように表されるときに、
   

   

   
   （但し、Ａ，Ｂは定数、Ｚは変調振幅、αは位相で、前記参照面から前記被対象物の表面までの距離をＰとすると、変調振幅Ｚと位相αは次のように表せる。）
   

   

   
   前記信号処理手段は、前記cosω_Ｃｔが０，１／２，１，−１／２のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３をそれぞれサンプリング取得し、これらの各値Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３から前記定数Ａ，Ｂを消去して前記位相αを求め、被対象物の変位を測定するものであることを特徴とする請求項６記載のレーザ干渉変位測定装置。
8. 前記信号処理手段は、前記cosω_Ｃｔが−１のときの干渉信号S_D（t）の値Ｓ_４をさらにサンプリング取得すると共に、（Ｓ_４−Ｓ_２）／（Ｓ_３−Ｓ_１）の値が０になるように前記振幅aを調整することによって、常にＺ＝πとするフィードバック制御を行なうものであることを特徴とする請求項７記載のレーザ干渉変位測定装置。

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