JP2764630B2 - アブソリュート測長器 - Google Patents

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可能なアブソリュ
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。

FMヘテロダイン計測法はこのような縞処理の高精度化
を図るための有効な手段の一つであり、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、粗面散乱体に対し約500mm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January 12・13,1987,Japan society of Appli
ed physics）。

（発明が解決しようとする課題） 従来の技術によれば、相対距離はレーザ光の波長レベ
ル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、少な
くとも一つの長さ基準を具備し、該長さ基準を光路差と
して得られる干渉位相を測定する手段とを有し、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、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、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）等のガスセルを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。測長は、マイケルソンの
干渉計等と、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、
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
上し、これに連続して相対モードにおけるより精度の高
い測定値を付加することにより、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にまで高めること
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。

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。

本実施例は、測長用光源部20と、長さ基準および空気
屈折率補正部21と、干渉位相測定部22と、演算部18とを
有している。

測長用光源部20は、駆動電流により発振周波数を変化
させることができるDBRレーザ１と、コリメータレンズ
２と、ハーフミラー8,9と、Rbガスセル３と、DBRレーザ
１の出力光の強度を直接測定するための光センサ（フォ
トダイオード）５と、Rbセル３を通過した後のレーザ光
の強度を測定する光センサ６と、比較器７とを有してい
る。

長さ基準および空気屈折率補正部21は、ハーフミラー
10,11と、反射ミラー12と、基準長さＬ_rを有する基準ギ
ャップ（ゼロデュアー，スーパーインバー等の熱膨脹率
の小さな材料で構成されている）13と、光センサ14とを
有している。

干渉位相測定部22はマイケルソンの干渉計からなって
おり、ミラー16で反射した光はハーフミラー15を介して
光センサ17に参照光として入射し、測定対象物体19から
の反射光と干渉して干渉縞が形成される。

演算部18は、光センサ14,17の検出出力を受けて位相
の測定、ならびに所定の演算を実行し、距離Ｌ_measを出
力する。

次に、本発明の動作を説明する。

DBRレーザ１を第２図のように周期的に駆動する。す
なわち、時刻t1からFM変調を開始し、時刻t2に、Rbガス
セル３の吸収ピークの周波数（ｆ_Rb）になると、比較器
７は光センサ６の出力の急激な低下によりこれを検出
し、DBRレーザ１に帰還をかけて、ｆ_Rbに発振周波数を
固定する。時刻t3に一回のサイクルが終了する。

時刻t1から時刻t2までの期間taにおいて光センサ17か
ら得られる検出信号PD_Sと光センサ14から得られる検出
信号PD_Lのビート信号の干渉次数Ｎ_SとＮ_Lおよび基準長
さＬ_rより、アブソリュート距離が求まる。

まず、次式から、干渉次数ｎを求める。

ｎ＝（Ｎ_S・Ｌ_r）／（Ｎ_L・λ_gas） ここで、λ_gasはRbガスセル３の吸収ピークの周波数
に安定したときのレーザ光の波長であり、ｎは整数であ
る。

次に、期間tbに得られる干渉位相θより、次式のとお
り、波長内距離Ｓの測長を続いて行う。

Ｓ＝λθ／（４π）＝Ｃθ／（４πｆ_Rb） Ｃは光速である、 したがって、アブソリュート測長の結果は、以下のよ
うになる。

Ｌ_meas＝（ｎλ/2）＋Ｓ （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、高精度の基準ギャップの採
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の採用
により、10nm程度までのアブソリュート測長が可能とな
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図、 第２図は第１図の実施例におけるレーザ光源１の発振周
波数の変化を示す図である。 １……レーザ、２……コリメータレンズ ３……Rbセル、5,6……光センサ ７……比較器 8,9,10,11,15……ハーフミラー 12……反射ミラー、13……基準ギャップ 14……光センサ、16……ミラー 17……光センサ、18……演算部 19……測定対象物、20……測長用光源 21……長さ基準および空気屈折率補正部 22……干渉位相測定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−35304（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−135809（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 9/00 - 9/10 G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光の干渉縞の干渉次数を特定する機能を有
   し、これにより物体までの絶対距離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（20）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（22）と、 少なくとも一つの長さ基準（Ｌ_r）を具備し、該長さ基
   準（Ｌ_r）を光路差として得られる干渉位相を測定する
   手段（21）とを有し、 前記周波数安定化手段（20）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（３）と、 該光吸収用セル（３）を通過した光の強度を測定する光
   センサ（６）と、 該光センサ（６）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（３）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（７）とを具備し、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、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。