JP2725434B2 - Ｆｍヘテロダイン法を用いたアブソリュート測長方法およびアブソリュート測長器 - Google Patents
Ｆｍヘテロダイン法を用いたアブソリュート測長方法およびアブソリュート測長器Info
- Publication number
- JP2725434B2 JP2725434B2 JP2086435A JP8643590A JP2725434B2 JP 2725434 B2 JP2725434 B2 JP 2725434B2 JP 2086435 A JP2086435 A JP 2086435A JP 8643590 A JP8643590 A JP 8643590A JP 2725434 B2 JP2725434 B2 JP 2725434B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- frequency
- interference
- light
- length
- absolute
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は物体までの絶対距離を測定するアブソリュー
ト測長方法およびアブソリュート測長器に関し、特に、
FMヘテロダイン測長法を使用したアブソリュート測長方
法ならびに、アブソリュート測定長器に関する。
ト測長方法およびアブソリュート測長器に関し、特に、
FMヘテロダイン測長法を使用したアブソリュート測長方
法ならびに、アブソリュート測定長器に関する。
（従来の技術） 近年、サブナノメートルの精度を要求される電子部品
や製造装置の要求が高まり、この産業界の要請に応じる
べく、距離計測や形状計測に用いられる干渉計の分野
で、高精度な干渉縞計測技術の研究開発が活発化してい
る。
や製造装置の要求が高まり、この産業界の要請に応じる
べく、距離計測や形状計測に用いられる干渉計の分野
で、高精度な干渉縞計測技術の研究開発が活発化してい
る。
現在実用化されている、レーザ変位計に代表されるイ
ンクリメンタル式の測長器（すなわち、干渉縞の数を積
算する方式の測長器）の構成の一例を第９図に示す。
ンクリメンタル式の測長器（すなわち、干渉縞の数を積
算する方式の測長器）の構成の一例を第９図に示す。
このレーザ変位計は、レーザ光源40からレーザ光を出
射し、被測定対象物体43に変位Lmを与え、この光路差に
起因する干渉縞をフォトダイオード44で検出し、その数
（Ｍ）を計数し、演算回路45により所定の演算を行っ
て、相対的に距離Lmを検出するものである。
射し、被測定対象物体43に変位Lmを与え、この光路差に
起因する干渉縞をフォトダイオード44で検出し、その数
（Ｍ）を計数し、演算回路45により所定の演算を行っ
て、相対的に距離Lmを検出するものである。
また、絶対距離を測定する測長法として、FMヘテロダ
イン計測法があり、最近、光源として半導体レーザを使
用し、注入電流を変化させることによりレーザ光をFM変
調し（中心波長830nm）、ヘテロダイン検波により得ら
れたビート信号の位相偏位を測定することにより、粗面
散乱体に対して約500nmの絶対距離を約50μｍの精度で
測定でき、かつ相対距離を約10nmの高精度で測定可能な
測長器についての報告がなされている（WOFS4−８「半
導体レーザによる距離の高分解能FMヘテロダイン測定
法」，小林，田中，伊藤，大高，福井大学工学部 Janu
ary 12・13,1987,Japan society of Applied physic
s）。
イン計測法があり、最近、光源として半導体レーザを使
用し、注入電流を変化させることによりレーザ光をFM変
調し（中心波長830nm）、ヘテロダイン検波により得ら
れたビート信号の位相偏位を測定することにより、粗面
散乱体に対して約500nmの絶対距離を約50μｍの精度で
測定でき、かつ相対距離を約10nmの高精度で測定可能な
測長器についての報告がなされている（WOFS4−８「半
導体レーザによる距離の高分解能FMヘテロダイン測定
法」，小林，田中，伊藤，大高，福井大学工学部 Janu
ary 12・13,1987,Japan society of Applied physic
s）。
（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の技術のうち、レーザ変位計等のインク
リメンタル式のものは、変位を与えなければ距離が測定
できず、高精度のレール等が必要となる。また、第10図
のように物体の形状測定等において、例えば、主面アか
ら主面イへと測定物を移動させた場合には、段差の部分
において信号が瞬時的に失われ、それだけで測定が不能
となってしまう。光路が遮られて信号を失った場合も同
様である。
リメンタル式のものは、変位を与えなければ距離が測定
できず、高精度のレール等が必要となる。また、第10図
のように物体の形状測定等において、例えば、主面アか
ら主面イへと測定物を移動させた場合には、段差の部分
において信号が瞬時的に失われ、それだけで測定が不能
となってしまう。光路が遮られて信号を失った場合も同
様である。
また、従来のFMヘテロダイン測長器では、第11図の上
側の図に示すように、相対距離はレーザ光の波長レベル
（ナノメータオーダー）の測定が可能であるが、絶対距
離については50μｍ程度が限界であり、相対距離の測定
と比較して精度がかなり低い。
側の図に示すように、相対距離はレーザ光の波長レベル
（ナノメータオーダー）の測定が可能であるが、絶対距
離については50μｍ程度が限界であり、相対距離の測定
と比較して精度がかなり低い。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、アブソリュート測長の精度を光源の波
長以下の精度、すなわち、10nm程度まで飛躍的に向上さ
せることにある。
り、その目的は、アブソリュート測長の精度を光源の波
長以下の精度、すなわち、10nm程度まで飛躍的に向上さ
せることにある。
（課題を解決するための手段） 本発明のアブソリュート測長方法は、レーザ光源と、
特定の周波数域において光吸収のピークを有する光吸収
用セルと、被測定対象である物体からの反射光と参照光
との干渉位相を測定する第１の干渉計と、第１の長さ基
準および該第１の長さ基準より短い第２の長さ基準のそ
れぞれを光路差とする第２および第３の干渉計とを用意
し、まず、FM変調された前記レーザ光を前記物体に向け
て照射し、前記第１および第２の干渉計から得られる干
渉次数を測定し、次に、前記光吸収用セルの吸収ピーク
の周波数に前記レーザ光源の周波数を固定し、この状態
で前記第1,第２および第３の干渉計のそれぞれにより干
渉位相を測定し、FM変調期間において前記第１および第
２の干渉計により測定された干渉次数と、前記吸収ピー
クの周波数における前記レーザ光源の波長と、前記第１
の長さ基準とを用いて下記第１式より干渉次数Ｎを求
め、 Ｎ＝整数｛（Llong・Nm）／（λgas・NNL｝ ……（１） 周波数安定化期間において前記第２および第３の干渉
計（30,21,22,27,28、23,24,25,26）のそれぞれにより
測定された干渉位相（θNL,θSL）を用いて、下記第２
式より空気の絶対屈折率nabsを求め、 nabs＝n0＋［NX＋｛θNL−θ０）/2π｝・（λgas/Llong）］ ……（２） 但し、n0およびθ０は、絶対空気屈折率部（32）を校
正した時の空気の屈折率の値と第２の干渉計から得られ
る位相の初期値であり、NXは第３の干渉計から得られる
位相信号θSLより決定した第２の干渉計の干渉次数であ
り、 次に、前記干渉次数N,空気の絶対屈折率nabs,第１の
干渉計により測定された干渉位相（θｍ），前記吸収ピ
ークの周波数における前記レーザ光源（１）の波長（λ
gas）を下記第３式に代入し、 Lm＝｛Ｎ＋（θm/2π）｝・（λgas/nabs） ……（３） これにより、前記物体（６）までの絶対距離（Lm）を
求めることを特徴とする。
特定の周波数域において光吸収のピークを有する光吸収
用セルと、被測定対象である物体からの反射光と参照光
との干渉位相を測定する第１の干渉計と、第１の長さ基
準および該第１の長さ基準より短い第２の長さ基準のそ
れぞれを光路差とする第２および第３の干渉計とを用意
し、まず、FM変調された前記レーザ光を前記物体に向け
て照射し、前記第１および第２の干渉計から得られる干
渉次数を測定し、次に、前記光吸収用セルの吸収ピーク
の周波数に前記レーザ光源の周波数を固定し、この状態
で前記第1,第２および第３の干渉計のそれぞれにより干
渉位相を測定し、FM変調期間において前記第１および第
２の干渉計により測定された干渉次数と、前記吸収ピー
クの周波数における前記レーザ光源の波長と、前記第１
の長さ基準とを用いて下記第１式より干渉次数Ｎを求
め、 Ｎ＝整数｛（Llong・Nm）／（λgas・NNL｝ ……（１） 周波数安定化期間において前記第２および第３の干渉
計（30,21,22,27,28、23,24,25,26）のそれぞれにより
測定された干渉位相（θNL,θSL）を用いて、下記第２
式より空気の絶対屈折率nabsを求め、 nabs＝n0＋［NX＋｛θNL−θ０）/2π｝・（λgas/Llong）］ ……（２） 但し、n0およびθ０は、絶対空気屈折率部（32）を校
正した時の空気の屈折率の値と第２の干渉計から得られ
る位相の初期値であり、NXは第３の干渉計から得られる
位相信号θSLより決定した第２の干渉計の干渉次数であ
り、 次に、前記干渉次数N,空気の絶対屈折率nabs,第１の
干渉計により測定された干渉位相（θｍ），前記吸収ピ
ークの周波数における前記レーザ光源（１）の波長（λ
gas）を下記第３式に代入し、 Lm＝｛Ｎ＋（θm/2π）｝・（λgas/nabs） ……（３） これにより、前記物体（６）までの絶対距離（Lm）を
求めることを特徴とする。
また、本発明のアブソリュート測長器は、出力光の周
波数を所定範囲で連続的に変化させることができる光源
と、該光源の周波数安定化手段と、前記物体からの反射
光と参照光との干渉位相を測定する干渉位相測定手段
と、第１の長さ基準と該第１の長さ基準より短い第２の
長さ基準を具備し、該第１の長さ基準を光路差として得
られる干渉位相と、第２の長さ基準を光路差として得ら
れる干渉位相とをそれぞれ測定する、基準長さを用いた
干渉位相測定手段と、前記干渉位相測定手段および基準
長さ用いた干渉位相測定手段から得られる干渉位相測定
信号を入力とし、位相偏位を利用して前記絶対距離を算
出する演算部とを有し、前記周波数安定化手段は、特定
の周波数域において光吸収のピークを有し、前記光源の
出力光を入力とする光吸収用セルと、該光吸収用セルを
通過した光の強度を測定する光センサと、該光センサの
出力の低下により前記光源の出力光の周波数が前記光吸
収用セルの吸収ピークの周波数に達したことを検出し、
制御信号を前記光源に帰還させる手段とを具備し、周波
数を連続的に変化させるている前記光源の周波数が前記
吸収ピークの周波数と一致すると、該光源の周波数を吸
収ピークの周波数に固定するようになっていることを特
徴とする。
波数を所定範囲で連続的に変化させることができる光源
と、該光源の周波数安定化手段と、前記物体からの反射
光と参照光との干渉位相を測定する干渉位相測定手段
と、第１の長さ基準と該第１の長さ基準より短い第２の
長さ基準を具備し、該第１の長さ基準を光路差として得
られる干渉位相と、第２の長さ基準を光路差として得ら
れる干渉位相とをそれぞれ測定する、基準長さを用いた
干渉位相測定手段と、前記干渉位相測定手段および基準
長さ用いた干渉位相測定手段から得られる干渉位相測定
信号を入力とし、位相偏位を利用して前記絶対距離を算
出する演算部とを有し、前記周波数安定化手段は、特定
の周波数域において光吸収のピークを有し、前記光源の
出力光を入力とする光吸収用セルと、該光吸収用セルを
通過した光の強度を測定する光センサと、該光センサの
出力の低下により前記光源の出力光の周波数が前記光吸
収用セルの吸収ピークの周波数に達したことを検出し、
制御信号を前記光源に帰還させる手段とを具備し、周波
数を連続的に変化させるている前記光源の周波数が前記
吸収ピークの周波数と一致すると、該光源の周波数を吸
収ピークの周波数に固定するようになっていることを特
徴とする。
（作用） DBRレーザ等の注入電流を変化させて発振周波数を広
い範囲に渡り連続的に変化させ、周波数がRb（ルビジュ
ウム）等のガスセルの光吸収ピークの周波数になると、
負帰還をかけて発振周波数をその吸収ピーク周波数に固
定し、安定化させる。
い範囲に渡り連続的に変化させ、周波数がRb（ルビジュ
ウム）等のガスセルの光吸収ピークの周波数になると、
負帰還をかけて発振周波数をその吸収ピーク周波数に固
定し、安定化させる。
FM変調期間には絶対モードの測定を行い、安定化期間
には相対モードの測定を行う。すなわち、第11図の下側
の図に示すように、絶対モードでの測定精度を相対モー
ドのレベルまで高め、相対モードの測定と合体させる。
には相対モードの測定を行う。すなわち、第11図の下側
の図に示すように、絶対モードでの測定精度を相対モー
ドのレベルまで高め、相対モードの測定と合体させる。
測長は、マイケルソンの干渉計等と、第１および第２
の基準長さを利用した干渉計とにより行う。
の基準長さを利用した干渉計とにより行う。
レーザ光の広範囲に渡る連続的なFM変調と、Rb等のガ
スセルによる波長の安定化ならびに波長の絶対値の保障
と、高精度の基準長さ（基準ギャップ）の採用により、
干渉次数Ｎを高精度に特定でき、これによって絶対モー
ドによる測定精度を光源の波長レベルにまで向上でき、
さらに、FM変調期間に連続する相対モードによる測定と
２種類の基準長さの採用によって、空気の絶対屈折率n
absと干渉位相θｍを高精度に測定でき、結果的に、ア
ブソリュート測長のレベルを相対測長のレベル，すなわ
ち、光源の波長以下（10nmオーダ）のレベルにまで高め
ことが可能となる。
スセルによる波長の安定化ならびに波長の絶対値の保障
と、高精度の基準長さ（基準ギャップ）の採用により、
干渉次数Ｎを高精度に特定でき、これによって絶対モー
ドによる測定精度を光源の波長レベルにまで向上でき、
さらに、FM変調期間に連続する相対モードによる測定と
２種類の基準長さの採用によって、空気の絶対屈折率n
absと干渉位相θｍを高精度に測定でき、結果的に、ア
ブソリュート測長のレベルを相対測長のレベル，すなわ
ち、光源の波長以下（10nmオーダ）のレベルにまで高め
ことが可能となる。
（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
る。
実施例１ 第１図は本発明のアブソリュート測長器の一実施例の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
本実施例のアブソリュート測長器35は、測長用光源１
と、この光源１の駆動電流を連続的に変化させるための
電流スイーパ（低出力インピーダンスのアンプを利用し
た可変電流源回路）16と、光源１の出力光強度を一定に
保つための定電流源18と、FMモードと周波数安定化モー
ドとを切換えるスイッチ17と、光学系2,3,4,10と、周波
数安定化部31と、干渉位相測定部30と、空気の絶対屈折
率補正部32と、位相測定部33と、制御処理部34とを有し
ている。
と、この光源１の駆動電流を連続的に変化させるための
電流スイーパ（低出力インピーダンスのアンプを利用し
た可変電流源回路）16と、光源１の出力光強度を一定に
保つための定電流源18と、FMモードと周波数安定化モー
ドとを切換えるスイッチ17と、光学系2,3,4,10と、周波
数安定化部31と、干渉位相測定部30と、空気の絶対屈折
率補正部32と、位相測定部33と、制御処理部34とを有し
ている。
以下、各部の構成と機能を説明する。
測長用光源１ 光源１としてDBR半導体レーザを使用している。DBR半
導体レーザは、出力光強度を決定する活性領域と周波数
を制御するDBR領域とを具備し、注入電流Idは定電流源1
8で一定に保たれ、周波数制御電流ICはスイーパ16の吸
込み量の変化にしたがって所定範囲に渡って連続的に変
化する。これによってFM変調がなされる。
導体レーザは、出力光強度を決定する活性領域と周波数
を制御するDBR領域とを具備し、注入電流Idは定電流源1
8で一定に保たれ、周波数制御電流ICはスイーパ16の吸
込み量の変化にしたがって所定範囲に渡って連続的に変
化する。これによってFM変調がなされる。
周波数安定化部31 DBR半導体レーザ１から出射された光はコリメータレ
ンズ２で平行光とされ、アイソレータ３およびハーフミ
ラー４を経てハーフミラー10で分割され、さらにハーフ
ミラー11で再分割される。分割された光の一方はリファ
レンス用フォトダイオード（光センサ）12により検波さ
れ、他方の光はRb（ルビジュウム）ガスセル13を通過後
に透過光モニタ用フォトダイオード（光センサ）14で検
波される。フォトダイオード12,14の検出出力の差を比
較器15bで検出し、この結果は制御処理部34に送られ
る。光源１の出力光の周波数が、ガスセル13の吸収ピー
クの周波数となって吸収が生じ、フォトダイオード14の
出力が急激に低下すると、制御処理部34はこれを検出
し、スイッチ17をアンプ15a側に切換え、アンプ15aの出
力をDBR半導体レーザ１に帰還させる。これにより、周
波数（位相）の負帰還ループが構成され、レーザ光の周
波数はガスセル13の吸収ピークの周波数に固定（安定
化）される。
ンズ２で平行光とされ、アイソレータ３およびハーフミ
ラー４を経てハーフミラー10で分割され、さらにハーフ
ミラー11で再分割される。分割された光の一方はリファ
レンス用フォトダイオード（光センサ）12により検波さ
れ、他方の光はRb（ルビジュウム）ガスセル13を通過後
に透過光モニタ用フォトダイオード（光センサ）14で検
波される。フォトダイオード12,14の検出出力の差を比
較器15bで検出し、この結果は制御処理部34に送られ
る。光源１の出力光の周波数が、ガスセル13の吸収ピー
クの周波数となって吸収が生じ、フォトダイオード14の
出力が急激に低下すると、制御処理部34はこれを検出
し、スイッチ17をアンプ15a側に切換え、アンプ15aの出
力をDBR半導体レーザ１に帰還させる。これにより、周
波数（位相）の負帰還ループが構成され、レーザ光の周
波数はガスセル13の吸収ピークの周波数に固定（安定
化）される。
干渉位相測定部30 マイケルソンの干渉計から構成されており、ハーフミ
ラー４を透過した光は、さらにハーフミラー７で分割さ
れ、分割光は反射ミラー５と被測定対象（反射ミラー）
７でそれぞれ反射され、フォトダイオード８上で合波さ
れ、干渉位相が得られる。
ラー４を透過した光は、さらにハーフミラー７で分割さ
れ、分割光は反射ミラー５と被測定対象（反射ミラー）
７でそれぞれ反射され、フォトダイオード８上で合波さ
れ、干渉位相が得られる。
絶対屈折率測定部32 ハーフミラー10で分割された他方の光は、ハーフミラ
ー19で再び分割され、ハーフミラー21と反射ミラー22に
より、長い長さ基準Llongと短い長さ基準Lshort（それ
ぞれ、基準ギャップ27,26により提供される）に導か
れ、それぞれの長さに対応した干渉信号をフォトダイオ
ード28および25で得る。基準ギャップ27,26は熱膨脹係
数の小さいスーパーインバーやゼロデュアー等の材料で
構成されている。
ー19で再び分割され、ハーフミラー21と反射ミラー22に
より、長い長さ基準Llongと短い長さ基準Lshort（それ
ぞれ、基準ギャップ27,26により提供される）に導か
れ、それぞれの長さに対応した干渉信号をフォトダイオ
ード28および25で得る。基準ギャップ27,26は熱膨脹係
数の小さいスーパーインバーやゼロデュアー等の材料で
構成されている。
信号処理部 位相測定部33は、３つのフォトダイオード8,28,25か
らの検出出力を受けてそれぞれの位相を求め、制御処理
部34は位相偏位より、測長器35のレーザ光出射端部から
被測定対象である物体６までの距離Lmを求め、出力（例
えば、ディスプレイ機器に表示）する。
らの検出出力を受けてそれぞれの位相を求め、制御処理
部34は位相偏位より、測長器35のレーザ光出射端部から
被測定対象である物体６までの距離Lmを求め、出力（例
えば、ディスプレイ機器に表示）する。
動作 第２図は本実施例の動作フローと、これに対応する構
成部分の様子ならびに物理量の算出過程をまとめて示す
図である。この図では、理解を容易とするために上部、
中部、下部をそれぞれレーザ光源部，測定部，演算部に
わけ、かつ、中央より左部をFM変調期間，右部をガスセ
ルの周波数に安定化した期間に分け、表形式で記載して
いる。また、第３図には時間（ｔ）に対する各部の波形
が示されている。
成部分の様子ならびに物理量の算出過程をまとめて示す
図である。この図では、理解を容易とするために上部、
中部、下部をそれぞれレーザ光源部，測定部，演算部に
わけ、かつ、中央より左部をFM変調期間，右部をガスセ
ルの周波数に安定化した期間に分け、表形式で記載して
いる。また、第３図には時間（ｔ）に対する各部の波形
が示されている。
まず、時刻t1〜t2（期間Ta）にはDBR半導体レーザ１
の出力光は連続的にFM変調されており（ステップ50）、
第３図の最上部の図のように周波数ｆは直線的に増加し
ていく。この期間において、マイケルソンの干渉計30
と、長い基準長Llong（基準ギャップ27）を基準とした
干渉計のそれぞれ（すなわち、フォトダイオード8,28）
から干渉位相が測定され、これにより干渉次数NmとNNL
とが特定される（ステップ51）。本実施例では、第３図
の上から３番目および第４番目の図のように、NmとNNL
とはそれぞれ、3.8および3.5である。
の出力光は連続的にFM変調されており（ステップ50）、
第３図の最上部の図のように周波数ｆは直線的に増加し
ていく。この期間において、マイケルソンの干渉計30
と、長い基準長Llong（基準ギャップ27）を基準とした
干渉計のそれぞれ（すなわち、フォトダイオード8,28）
から干渉位相が測定され、これにより干渉次数NmとNNL
とが特定される（ステップ51）。本実施例では、第３図
の上から３番目および第４番目の図のように、NmとNNL
とはそれぞれ、3.8および3.5である。
時刻t2にDBR半導体レーザ１の出力光の周波数がRbガ
スセルの吸収ピークの周波数と一致し、第３図の上から
２番目の図に示されるようにフォトダイオード14の出力
が急激に低下すると、スイッチ17が切替わり、周波数が
この吸収ピークの周波数に安定化される（ステップ5
2）。この安定化期間は時刻t3まで続き（期間Tb）、時
刻t3に１回のサイクルが終了する。この安定化期間に、
フォトダイオード8,28,25のそれぞれにより、干渉位相
θm,θNL,θNSが求められる（ステップ53）。
スセルの吸収ピークの周波数と一致し、第３図の上から
２番目の図に示されるようにフォトダイオード14の出力
が急激に低下すると、スイッチ17が切替わり、周波数が
この吸収ピークの周波数に安定化される（ステップ5
2）。この安定化期間は時刻t3まで続き（期間Tb）、時
刻t3に１回のサイクルが終了する。この安定化期間に、
フォトダイオード8,28,25のそれぞれにより、干渉位相
θm,θNL,θNSが求められる（ステップ53）。
この場合の干渉位相θｍ等の第４図に示すように、フ
ォトダイオードの出力信号のエンベロープを求め、全体
の振幅ｂと、この振幅の中心位置からの変位量ａを求
め、COS-1（a/b）を計算することにより算出される。な
お、短い長さ基準を光路差とした干渉位相θNSより、後
述する空気の絶対屈折率nabsを特定する際に必要となる
干渉次数NXが求められる。
ォトダイオードの出力信号のエンベロープを求め、全体
の振幅ｂと、この振幅の中心位置からの変位量ａを求
め、COS-1（a/b）を計算することにより算出される。な
お、短い長さ基準を光路差とした干渉位相θNSより、後
述する空気の絶対屈折率nabsを特定する際に必要となる
干渉次数NXが求められる。
次に、制御処理部34は下記式による演算を行い、絶対
距離Lmを測定する。まず、下記１式より干渉次数Ｎを求
め（ステップ54）、 Ｎ＝整数｛（Llong・Nm）／（λgas・NNL｝ ……（１） 次に、干渉位相θNL,θSLを用いて、下記第２式より
空気の絶対屈折率nabsを求める（ステップ55）。
距離Lmを測定する。まず、下記１式より干渉次数Ｎを求
め（ステップ54）、 Ｎ＝整数｛（Llong・Nm）／（λgas・NNL｝ ……（１） 次に、干渉位相θNL,θSLを用いて、下記第２式より
空気の絶対屈折率nabsを求める（ステップ55）。
nabs＝n0＋［NX＋｛θNL−θ０）/2π｝・（λgas/Llong）］ ……（２） 但し、n0およびθ０は、絶対空気屈折率部（32）を校
正した時の空気の屈折率の値と第２の干渉計から得られ
る位相の初期値であり、NXは第３の干渉計から得られる
位相信号θSLより決定した第２の干渉計の干渉次数であ
る。このとき、干渉次数NXは、高精度ゆえに複数の干渉
縞が現れる、長い長さ基準Llongを使用した干渉計単独
では特定できないが、精度の低い、短い長さ基準Lshort
を利用した干渉計の測定結果を重ねることにより、決定
することができる（第５図）。
正した時の空気の屈折率の値と第２の干渉計から得られ
る位相の初期値であり、NXは第３の干渉計から得られる
位相信号θSLより決定した第２の干渉計の干渉次数であ
る。このとき、干渉次数NXは、高精度ゆえに複数の干渉
縞が現れる、長い長さ基準Llongを使用した干渉計単独
では特定できないが、精度の低い、短い長さ基準Lshort
を利用した干渉計の測定結果を重ねることにより、決定
することができる（第５図）。
次に、ステップ54で求めた干渉次数N,ステップ55で求
めた空気の絶対屈折率nabs,干渉計30により測定された
干渉位相θm,前記吸収ピークの周波数における前記レー
ザ光源１の波長λgas（既知）を下記第３式に代入し、 Lm＝｛Ｎ＋（θm/2π）｝・（λgas/nabs） ……（３） これにより、前記物体（６）までの絶対距離Lmを求め
る（ステップ56）。
めた空気の絶対屈折率nabs,干渉計30により測定された
干渉位相θm,前記吸収ピークの周波数における前記レー
ザ光源１の波長λgas（既知）を下記第３式に代入し、 Lm＝｛Ｎ＋（θm/2π）｝・（λgas/nabs） ……（３） これにより、前記物体（６）までの絶対距離Lmを求め
る（ステップ56）。
第３式において、干渉次数Ｎ、ならびにθm/2πより
決まる端数位相εの精度が極めて高いために、絶対距離
Lmをナノメータのオーダーで高精度に測定できる。
決まる端数位相εの精度が極めて高いために、絶対距離
Lmをナノメータのオーダーで高精度に測定できる。
実施例２ 第６図は本発明の第２の実施例の構成を示す図、第７
図はその動作を説明するための時間に対する各部の波形
を示す図である。
図はその動作を説明するための時間に対する各部の波形
を示す図である。
本実施例は、第１の実施例のスイッチ17を除去し、周
波数を吸収ピークの周波数に安定化させる機構をなくし
たものである。その代わりに、フォトダイオード14の検
出出力を直接に位相測定部33に入力し、スイーパ16で周
波数掃引しながら、時刻t3およびt5に得られる吸収ピー
クをトリガーといて端数位相θｍ等を測定する。本実施
例によれば、周波数安定化機構をなくした分だけ、構成
が簡素化でき、複雑なシーケンスが必要となり、さらに
高速測定が可能となる効果がある。
波数を吸収ピークの周波数に安定化させる機構をなくし
たものである。その代わりに、フォトダイオード14の検
出出力を直接に位相測定部33に入力し、スイーパ16で周
波数掃引しながら、時刻t3およびt5に得られる吸収ピー
クをトリガーといて端数位相θｍ等を測定する。本実施
例によれば、周波数安定化機構をなくした分だけ、構成
が簡素化でき、複雑なシーケンスが必要となり、さらに
高速測定が可能となる効果がある。
実施例３ 本発明は上述の実施例の限定されるものではなく、種
々変形が可能である。
々変形が可能である。
例えば、周波数可変光源としてのDBRレーザの他、色
素レーザやTiドープのサファイヤレーザ等の波長が連続
的に可変のレーザを使用してもよい。また、FM変調回路
を付加し、電圧駆動タイプのレーザを外部変調してもよ
い。
素レーザやTiドープのサファイヤレーザ等の波長が連続
的に可変のレーザを使用してもよい。また、FM変調回路
を付加し、電圧駆動タイプのレーザを外部変調してもよ
い。
また、測定対象物体６の面を鏡面とする必要は必ずし
もなく、直前にレンズを設置し、粗面での計測や形状計
測をしてもよい。
もなく、直前にレンズを設置し、粗面での計測や形状計
測をしてもよい。
また、FM測長により干渉次数Ｎを決定する方式とし
て、長い長さ基準と干渉位相の比をとるのではなく、第
８図に示すように、ガスの複数の吸収線を利用してトリ
ガー信号を得、この２本の吸収線のタイミング間のレー
ザの周波数変位ΔＦを測定してもよい。
て、長い長さ基準と干渉位相の比をとるのではなく、第
８図に示すように、ガスの複数の吸収線を利用してトリ
ガー信号を得、この２本の吸収線のタイミング間のレー
ザの周波数変位ΔＦを測定してもよい。
（発明の効果） 以上説明したように本発明は、ガスセルを用いた波長
の安定化と絶対値の保障、少なくとも２種類の高精度の
基準ギャップ（基準長さ）の採用、ならびにFM変調波に
よる絶対モードによる測定とそれに続く周波数を固定し
ての相対モードでの測定システムの採用、ならびに空気
の絶対屈折率の測定（屈折率の補正）により、下記の効
果が得られる。
の安定化と絶対値の保障、少なくとも２種類の高精度の
基準ギャップ（基準長さ）の採用、ならびにFM変調波に
よる絶対モードによる測定とそれに続く周波数を固定し
ての相対モードでの測定システムの採用、ならびに空気
の絶対屈折率の測定（屈折率の補正）により、下記の効
果が得られる。
（１）従来不可能であった、使用する光源の波長以下の
レベルの絶対距離の測定が可能となる。
レベルの絶対距離の測定が可能となる。
（２）しかも、10nmオーダーのレベルまでの測定が可能
であり、アブソリュート測長のレベルを相対測長のレベ
ルと同程度とすることが可能となる。
であり、アブソリュート測長のレベルを相対測長のレベ
ルと同程度とすることが可能となる。
（３）これにより、例えば、極めて高精度な形状測定器
の提供が可能となり、今後、サブナノメートルの精度を
要求される電子部品や製造装置分野の産業界の要請に応
え、各種の機器への適用，応用が期待される。
の提供が可能となり、今後、サブナノメートルの精度を
要求される電子部品や製造装置分野の産業界の要請に応
え、各種の機器への適用，応用が期待される。
第１図は本発明のアブソリュート測長器の第１の実施例
の構成を示す図、 第２図は本実施例の動作フローと、これに対応する構成
部分の様子ならびに物理量の算出過程をまとめて示す図
（この図では、理解を容易とするために上部、中部、下
部をそれぞれレーザ光源部，測定部，演算部にわけ、か
つ、中央より左部をFM変調期間，右部をガスセルの周波
数に安定化した期間に分けて、表形式で記載してい
る）、 第３図は第１図の時間に対する各部の波形を示す図、 第４図は端数位相（θｍ等）の算出方法を説明するため
の図、 第５図は空気の絶対屈折率（nabs）の算出方法（このと
きに必要となる干渉次数nXの求める方法を含む）を説明
するための図、 第６図は本発明のアブソリュート測長器の第２の実施例
の構成を示す図、 第７図は第６図の各部の時間に対する波形を示す図、 第８図は本発明の他の変形例を説明するための図、 第９図は従来例（インクリッメンタル式の変位計）の構
成を示す図、 第10図は第９図の従来例の問題点を示す図、 第11図は他の従来例（絶対距離の測長器）と本発明のア
ブソリュート測長器との性能の比較を示す図である。 １……DBR半導体レーザ ２……コリメータレンズ ３……アイソレーション、４……ハーフミラー ５……反射ミラー（CC） ６……被測定対象物体（反射ミラー（CC）） ７……ハーフミラー ８……フォトダイオード（光センサ） 10,11……ハーフミラー 12……フォトダイオード 13……Rb（ルビジュウム）ガスセル 14……フォトダイオード 15a……アンプ 15b……比較器（差動アンプ） 16……電流スイーパー、17……スイッチ 19,21,24……ハーフミラー 20,22,23……反射ミラー 26,27……基準ギャップ 25,28……フォトダイオード 30……干渉位相測定部、31……周波数安定化部 32……絶対屈折率測定部、33……位相測定部 34……制御処理部 35……アブソリュート測長器 36……吸収測定部 Llong……長い長さ基準 Lshort……短い長さ基準
の構成を示す図、 第２図は本実施例の動作フローと、これに対応する構成
部分の様子ならびに物理量の算出過程をまとめて示す図
（この図では、理解を容易とするために上部、中部、下
部をそれぞれレーザ光源部，測定部，演算部にわけ、か
つ、中央より左部をFM変調期間，右部をガスセルの周波
数に安定化した期間に分けて、表形式で記載してい
る）、 第３図は第１図の時間に対する各部の波形を示す図、 第４図は端数位相（θｍ等）の算出方法を説明するため
の図、 第５図は空気の絶対屈折率（nabs）の算出方法（このと
きに必要となる干渉次数nXの求める方法を含む）を説明
するための図、 第６図は本発明のアブソリュート測長器の第２の実施例
の構成を示す図、 第７図は第６図の各部の時間に対する波形を示す図、 第８図は本発明の他の変形例を説明するための図、 第９図は従来例（インクリッメンタル式の変位計）の構
成を示す図、 第10図は第９図の従来例の問題点を示す図、 第11図は他の従来例（絶対距離の測長器）と本発明のア
ブソリュート測長器との性能の比較を示す図である。 １……DBR半導体レーザ ２……コリメータレンズ ３……アイソレーション、４……ハーフミラー ５……反射ミラー（CC） ６……被測定対象物体（反射ミラー（CC）） ７……ハーフミラー ８……フォトダイオード（光センサ） 10,11……ハーフミラー 12……フォトダイオード 13……Rb（ルビジュウム）ガスセル 14……フォトダイオード 15a……アンプ 15b……比較器（差動アンプ） 16……電流スイーパー、17……スイッチ 19,21,24……ハーフミラー 20,22,23……反射ミラー 26,27……基準ギャップ 25,28……フォトダイオード 30……干渉位相測定部、31……周波数安定化部 32……絶対屈折率測定部、33……位相測定部 34……制御処理部 35……アブソリュート測長器 36……吸収測定部 Llong……長い長さ基準 Lshort……短い長さ基準
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立川 義彦 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横 河電機株式会社内 (72)発明者 池澤 克哉 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横 河電機株式会社内 (72)発明者 蛭川 英男 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横 河電機株式会社内 (72)発明者 金 文煥 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横 河電機株式会社内 (72)発明者 小宮 伸二 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横 河電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−269302（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−19701（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−35304（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】レーザ光源（１）と、特定の周波数域にお
いて光吸収のピークを有する光吸収用セル（13）と、被
測定対象である物体（６）からの反射光と参照光との干
渉位相を測定する第１の干渉計（30）と、第１の長さ基
準（Llong）および該第１の長さ基準より短い第２の長
さ基準（Lshort）のそれぞれを光路差とする第２および
第３の干渉計（21,22,27,28、23,24,25,26）とを用意
し、 まず、FM変調された前記レーザ光（１）を前記物体
（６）に向けて照射し、前記第１および第２の干渉計
（30、21,22,27,28）から得られる干渉次数（Nm,NNL）
を測定し、 次に、前記光吸収用セル（13）の吸収ピークの周波数に
前記レーザ光源（１）の周波数を固定し、この状態で前
記第1,第２および第３の干渉計（30、21,22,27,28、23,
24,25,26）のそれぞれにより干渉位相（θm,θNL,
θSL）を測定し、 FM変調期間において前記第１および第２の干渉計（30、
21,22,27,28）により測定された干渉次数（Nm,NNL）
と、前記吸収ピークの周波数における前記レーザ光源
（１）の波長（λgas）と、前記第１の長さ基準
（Llong）とを用いて下記第１式より干渉次数Ｎを求
め、 Ｎ＝整数｛（Llong・Nm）／（λgas・NNL｝ ……（１） 周波数安定化期間において前記第２および第３の干渉計
（30,21,22,27,28、23,24,25,26）のそれぞれにより測
定された干渉位相（θNL,θSL）を用いて、下記第２式
より空気の絶対屈折率nabsを求め、 nabs＝n0＋［NX＋｛θNL−θ０）/2π｝・（λgas/Llong）］ ……（２） 但し、n0およびθ０は、絶対空気屈折率部（32）を校正
した時の空気の屈折率の値と第２の干渉計から得られる
位相の初期値であり、NXは第３の干渉計から得られる位
相信号θSLより決定した第２の干渉計の干渉次数であ
り、 次に、前記干渉次数N,空気の絶対屈折率nabs,第１の干
渉計により測定された干渉位相（θｍ），前記吸収ピー
クの周波数における前記レーザ光源（１）の波長（λ
gas）を下記第３式に代入し、 Lm＝｛Ｎ＋（θm/2π）｝・（λgas/nabs） ……（３） これにより、前記物体（６）までの絶対距離（Lm）を求
めることを特徴とするFMヘテロダイン法を用いたアブソ
リュート測長方法。 - 【請求項２】光の干渉縞の干渉次数を特定する機能を有
し、これにより物体（６）までの絶対距離（Lm）を測定
できるアブソリュート測長器であって、 出力光の周波数を所定範囲で連続的に変化させることが
できる光源（１）と、 該光源（１）の周波数安定化手段（31）と、 前記物体からの反射光と参照光との干渉位相を測定する
干渉位相測定手段（30）と、 第１の長さ基準（Llong）と該第１の長さ基準より短い
第２の長さ基準（Lshort）を具備し、該第１の長さ基準
（Llong）を光路差として得られる干渉位相と、第２の
長さ基準（Lshort）を光路差として得られる干渉位相と
をそれぞれ測定する、基準長さを用いた干渉位相測定手
段（32）と、 前記干渉位相測定手段（22）および基準長さを用いた干
渉位相測定手段（32）から得られる干渉位相測定信号を
入力とし、位相偏位を利用して前記絶対距離（Lm）を算
出する演算部（33,34）とを有し、 前記周波数安定化手段（31）は、 特定の周波数域において光吸収のピークを有し、前記光
源（１）の出力光を入力とする光吸収用セル（13）と、 該光吸収用セル（13）を通過した光の強度を測定する光
センサ（14）と、 該光センサ（14）の出力の低下により前記光源（１）の
出力光の周波数が前記光吸収用セル（13）の吸収ピーク
の周波数に達したことを検出し、制御信号を前記光源
（１）に帰還させる手段（15a,15b,17）とを具備し、周
波数を連続的に変化させている前記光源（１）の周波数
が前記吸収ピークの周波数と一致すると、該光源（１）
の周波数を吸収ピークの周波数に固定するようになって
いるアブソリュート測長器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2086435A JP2725434B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | Ｆｍヘテロダイン法を用いたアブソリュート測長方法およびアブソリュート測長器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2086435A JP2725434B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | Ｆｍヘテロダイン法を用いたアブソリュート測長方法およびアブソリュート測長器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03285102A JPH03285102A (ja) | 1991-12-16 |
| JP2725434B2 true JP2725434B2 (ja) | 1998-03-11 |
Family
ID=13886838
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2086435A Expired - Fee Related JP2725434B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | Ｆｍヘテロダイン法を用いたアブソリュート測長方法およびアブソリュート測長器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2725434B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012103080A (ja) * | 2010-11-09 | 2012-05-31 | Canon Inc | 計測装置 |
| US8502986B2 (en) | 2010-03-01 | 2013-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Lightwave interference measurement apparatus that calculates absolute distance using lightwave interference |
| US8559015B2 (en) | 2009-11-05 | 2013-10-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Measuring apparatus |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3513432B2 (ja) * | 1999-07-27 | 2004-03-31 | 三菱重工業株式会社 | 光周波数領域反射測定装置および光周波数領域反射測定方法 |
| JP5088915B2 (ja) * | 2004-03-31 | 2012-12-05 | 株式会社アイエイアイ | 変位測定装置 |
| EP1696201A1 (de) * | 2005-02-23 | 2006-08-30 | Leica Geosystems AG | Phasenrauschkompensation für interferometrische Absolutdistanzmesser |
| CZ302520B6 (cs) * | 2008-05-06 | 2011-06-29 | Ústav prístrojové techniky AV CR, v.v.i. | Interferometrický systém s kompenzací zmen indexu lomu prostredí |
| JP5480507B2 (ja) * | 2009-01-13 | 2014-04-23 | 株式会社ミツトヨ | レーザ干渉計 |
-
1990
- 1990-03-30 JP JP2086435A patent/JP2725434B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8559015B2 (en) | 2009-11-05 | 2013-10-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Measuring apparatus |
| US8502986B2 (en) | 2010-03-01 | 2013-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Lightwave interference measurement apparatus that calculates absolute distance using lightwave interference |
| JP2012103080A (ja) * | 2010-11-09 | 2012-05-31 | Canon Inc | 計測装置 |
| US8797542B2 (en) | 2010-11-09 | 2014-08-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Measurement apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03285102A (ja) | 1991-12-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5541730A (en) | Interferometric measuring apparatus for making absolute measurements of distance or refractive index | |
| US5106191A (en) | Two-frequency distance and displacement measuring interferometer | |
| US8477316B2 (en) | Interferometer system and method for its operation | |
| Thiel et al. | Interferometric measurement of absolute distances of up to 40 m | |
| JP2828162B2 (ja) | 絶対測定用の干渉測定方法およびこの方法に適したレーザー干渉計装置 | |
| US10024647B2 (en) | Method of air refractive index correction for absolute long distance measurement | |
| JPS6039518A (ja) | 干渉計システム | |
| JP2755757B2 (ja) | 変位及び角度の測定方法 | |
| US5493395A (en) | Wavelength variation measuring apparatus | |
| US5374991A (en) | Compact distance measuring interferometer | |
| JP2725434B2 (ja) | Ｆｍヘテロダイン法を用いたアブソリュート測長方法およびアブソリュート測長器 | |
| JPS60256079A (ja) | 半導体レ−ザを用いた微小変位測定装置 | |
| US6462823B1 (en) | Wavelength meter adapted for averaging multiple measurements | |
| JPS61221614A (ja) | 微小変位測定装置 | |
| JP2764630B2 (ja) | アブソリュート測長器 | |
| CN108627084B (zh) | 一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统 | |
| JPH0781884B2 (ja) | 光学式変位測定装置 | |
| JPH0466804A (ja) | アブソリュート測長器 | |
| JP2687631B2 (ja) | アブソリュート測長器の干渉信号処理方法 | |
| Rakhmanov et al. | An optical vernier technique for in situ measurement of the length of long Fabry-Perot cavities | |
| JP3344637B2 (ja) | 光干渉式位置計測装置 | |
| JPH0763506A (ja) | 干渉測長器 | |
| JPH04324304A (ja) | 光源に３電極波長可変レ−ザダイオ−ドを用いたアブソリュ−ト測長器 | |
| JPH0723708Y2 (ja) | レーザ周波数計 | |
| JPH0652166B2 (ja) | アブソリュート測長器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |