JP5088915B2

JP5088915B2 - 変位測定装置

Info

Publication number: JP5088915B2
Application number: JP2004101693A
Authority: JP
Inventors: 輝明藤永; 理文小野寺
Original assignee: IAI Corp
Current assignee: IAI Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: WO2005098351A1; JP2005283520A

Description

本発明は、半導体レーザを用いる周波数変調型ヘテロダイン干渉方式によって可動部の変位を測定するように構成された変位測定装置に係り、特に、測定可能な変位ストロークの延長、応答特性の向上、測定精度と分解能の向上を図ることができるように工夫したものに関する。

半導体レーザ（以下、ＬＤという）を用いた周波数変調型のヘテロダイン干渉式変位測定装置は、小型で低コストのヘテロダイン干渉式変位測定装置として知られている。これは、大型のヘリウムネオンレーザとファラデー変調器の代わりに小型で低コストのＬＤを用いているからである（半導体レーザ変調方式、以下、ＬＤ変調方式という）。

そのようなＬＤ変調方式の変位測定装置を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。

特許２５２１８７２号公報特開平７―１７４５１１号公報

上記ＬＤ変調方式の変位測定装置の構成を図２に示す。図２は、従来のＬＤ変調方式による変位測定装置の構成を概念的に示す図であり、まず、信号発生器１０１がある。この信号発生器１０１によって、鋸歯状波又は三角波信号を形成・出力する。上記鋸歯状波の周期（Ｔ
）は次の式（Ｉ）によって表される。
Ｔ＝２π／ω_S―――（Ｉ）
但し、
ω_S：鋸歯状波の角周波数

又、半導体レーザ用ドライバ１０３があり、この半導体レーザ用ドライバ１０３はＬＤ１０５を駆動するものであり、上記信号発生器１０１より出力される鋸歯状波又は三角波信号によってＬＤ１０５を駆動するものである。

上記ＬＤ１０５からはレーザ光が出射される。このレーザ光は鋸歯状又は三角波状に周波数変調されている。上記ＬＤ１０５より出射されるレーザ光はコリメータレンズ１０７によって集光され、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）１０９に入射される。ＰＢＳ１０９に入射されたレーザ光は、このＰＢＳ１０９によって透過光と反射光とに分割される。

まず、ＰＢＳ１０９によって反射された光は１／４波長板１１１を透過し、固定鏡１１３にて反射して、再び上記１／４波長板１１１を透過する。そして、上記ＰＢＳ１０９
を透過してアナライザ１１５に到達する。

一方、ＰＢＳ１０９を透過した光は、１／４波長板１１７を透過し、可動鏡１１９にて反射し、再び上記１／４波長板１１７を透過する。そして、上記ＰＢＳ１０９にて反射して上記アナライザ１１５に到達する。

すなわち、ＰＢＳ１０９において分岐された反射光と透過光は、固定鏡１１３で反射される光路と、可動鏡１１９で反射される光路とを夫々通り、アナライザ１１５にて干渉してそれらの光路差（距離の差、Ｌ_１）に応じたビート信号となる。このビート信号はコリメータレンズ１２１において集光されフォトダイオード１２３によって電気信号に変換される。そして、信号処理回路１２５に入力された後変位検出・演算回路１２７に入力され、該変位検出・演算回路１２７によって変位、すなわち、可動鏡１１９の変位が測定されることになる。

その際、ビート信号の角周波数（ω_b）は次の式（ＩＩ）で表される。
ω_b＝（ω_S×β／c）×Ｉ_m×Ｌ_１ ―――（ＩＩ）
但し、
ω_S：鋸歯状波の角周波数
β ：電流変調効率
ｃ：光速度
Ｉ_ｍ：鋸歯状波電流の変調振幅
Ｌ_１：光路差

又、この時の位相差（φ）は、光波長を（λ ）とすると式（ＩＩＩ）で表される。
φ＝２π×Ｌ_１／λ―――（ＩＩＩ）

尚、可動鏡１１９の変位量（ΔＬ）は、次の式（ＩＶ）に示すように、光路差の変化量（ΔＬ_１）の１／２である。
ΔＬ＝ΔＬ_１／２―――（ＩＶ）

上記式（ＩＩ）〜（ＩＶ）を用いて、信号発生器１０１より参照信号を入力し、且つ、フォトダイオード１２３よりビート信号を入力して、上記信号処理回路１２５及び変位検出・演算回路１２７によって可動鏡１１９の変位量（ΔＬ）が演算されるものである。

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、上記特許文献１、特許文献２におけるＬＤ変調方式の変位測定装置の場合には、式（ＩＩ）に示すように、被測定対象物までの変位の大きさにより、干渉によるビート信号の角周波数（ω_b）が大きく変化するため、バンドパスフィルター（以下、ＢＰＦという）の帯域制限によるストローク（測定可能変位範囲）に制限があるという問題があった。
又、応答速度の制限、測定精度や分解能の制限があるという問題もあった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、ＬＤ変調方式を用いた変位測定装置において、測定可能な変位ストロークの延長、応答特性の向上、測定精度や分解能の向上を計ることが可能な変位測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による変位測定装置は、半導体レーザを用いる周波数変調型ヘテロダイン干渉方式によって可動部の変位を測定するように構成された変位測定装置において、干渉計を２段にわたって設置し、第１段目干渉計によって第１の干渉ビート波を得て、第２段目干渉計に上記第１の干渉ビート波が入力されることによって第２の干渉ビート波を得るものであり、上記第１段目干渉計の位相差が上記第２段目干渉計の位相差より大きく、上記第１の干渉ビート波を参照信号として用いることを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明による変位測定装置によると、半導体レーザを用いる周波数変調型ヘテロダイン干渉方式によって可動部の変位を測定するように構成された変位測定装置において、干渉計を少なくとも２段にわたって設置するようにしたので、測定可能な変位ストロークの延長、応答特性、測定精度、分解能の向上を図ることが可能になった。
又、干渉計を２段にわたって設置し、第１段目干渉計の位相差を第２段目干渉計の位相差より大きくした場合には、ビート信号の角周波数（ω_b）は殆ど変動しなくなり、それによって、従来懸念されていたストローク制限の問題は効果的に解消される。
又、干渉後のビート波を参照信号として用いるようにした場合には、光源部における外乱の影響をなくして、測定精度や分解能の向上を図ることができる。

以下、図１を参照して本発明の一実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による変位測定装置の構成を示す図であり、まず、信号発生器１がある。この信号発生器１によって、鋸歯状波又は三角波信号を形成・出力する。又、半導体レーザ用ドライバ３があり、この半導体レーザ用ドライバ３はＬＤ５を駆動するものである。ＬＤ５は上記信号発生器１より出力される鋸歯状波又は三角波信号によって上記半導体レーザ用ドライバ３を介して駆動される。

上記ＬＤ５からはレーザ光が出射される。このレーザ光は鋸歯状又は三角波状に周波数変調されている。上記ＬＤ５より出射されるレーザ光はコリメータレンズ７によって集光されてＰＢＳ９に入射される。ＰＢＳ９に入射されたレーザ光は、このＰＢＳ９によって透過光と反射光とに分割される。

まず、ＰＢＳ９によって反射された光は１／４波長板１１を透過し、固定鏡１３にて反射して、再び上記１／４波長板１１を透過する。そして、ＰＢＳ９
を透過してビームスプリッタ（以下、ＢＳと称す）１５に到達する。

一方、ＰＢＳ９を透過した光は、１／４波長板１７を透過し、固定鏡１９にて反射し、再び上記１／４波長板１７を透過する。そして、ＰＢＳ９にて反射して上記ＢＳ１５に到達することになる。
ここまでの構成は、図２に示した従来例の構成と略同じであるが、従来例では可動鏡１１９としていたのに対して、本実施の形態では固定鏡１９としている点が異なる。
又、信号発生器１、半導体レーザ用ドライバ３、ＬＤ５、コリメータレンズ７までの構成が「光源部」に相当する構成であり、又、ＰＢＳ９、１／４波長板１１、固定鏡１３、１／４波長板１７、固定鏡１９までの構成が「第１段目干渉計」に相当する構成である。

上記ＢＳ１５に入力された２光波の内の一部はアナライザ２１へと分岐入力される。アナライザ２１に入力された２光波は干渉し、第１段目干渉計における光路差（Ｌ_１）に応じたビート信号となる。これをコリメータレンズ２３で集光してフォトダイオード２５にて電気信号に変換する。この時の角周波数（ω_b）及び位相（φ）は、従来例の説明で示した式（ＩＩ）、（ＩＩＩ）によって表される。又、上記ＢＳ１５、アナライザ２１、コリメータレンズ２３、フォトダイオード２５までの部分が「ビート参照信号検出部」となる。

上記ＢＳ１５を透過した２光波はＰＢＳ２７によって分離される。上記ＰＢＳ２７において反射された偏光は、１／４波長板２９を透過して可動鏡３１にて反射され、再び１／４波長板２９を透過する。そして、上記ＰＢＳ２７を透過してアナライザ３３に到達する。

一方、上記ＰＢＳ２７を透過した偏光は、１／４波長板３５を透過して固定鏡３７によって反射され、再び１／４波長板３５を透過する。そして、上記ＰＢＳ２７によって反射されて上記アナライザ３３に到達する。

そして、可動鏡３１にて反射され再びＰＢＳ２７に戻ってくる光路と、ＰＢＳ２７を透過した透過光が固定鏡３７にて反射され再びＰＢＳ２７に戻ってくる光路との光路差を(Ｌ_２)とすると、ＰＢＳ２７で分岐された光は光路差（Ｌ_２）が付加された２光波となってアナライザ３３にて干渉し、それらの光路差に応じたビート信号となる。

その時のビート信号の角周波数（ω_b）及び位相差（φ）は、次の式（Ｖ）、（ＶＩ）によって表される。
ω_b＝（ω_S×β／c）×Ｉ_m×（Ｌ_１＋Ｌ_２）―――（Ｖ）
φ＝２π×（Ｌ_１＋Ｌ_２）／λ―――（ＶＩ）

そして、ＰＢＳ２７、１／４波長板２９、可動鏡３１、１／４波長板３５、固定鏡３７までの構成が「第２段目干渉計」に相当する。
尚、可動鏡３１の変位量（ΔＬ）は、次の式（ＶＩＩ）に示すように、光路差の変化量（ΔＬ_２）の１／２である。
ΔＬ＝ΔＬ_２／２―――（ＶＩＩ）

上記第２段目干渉計より出射された２光波はアナライザ３３にて干渉し、光路差（Ｌ_１＋Ｌ_２）に応じたビート信号となる。このビート信号の光は、コリメータレンズ３５で集光されフォトダイオード３７により電気信号に変換される。
この部分が「ビート信号検出部」となる。

前述したビート参照信号検出部から得られた参照信号及び上記ビート信号検出部から得られたビート信号は信号処理回路３９に入力される。この信号処理回路３９において、ＢＰＦ等を用いてノイズ除去、波形成形等を行い、変位検出・演算回路４１によって参照信号との周波数差あるいは位相差より可動鏡３１の変位量を演算・算出する。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、変位測定可能な変位ストロークを長くすることが可能になった。すなわち、従来のＬＤ周波数変調型の変位測定装置の場合には、変位測定可能なストローク長には限界があった。それは式（ＩＩ）に示されるように、従来のＬＤ周波数変調型では変位量の２倍である光路差（Ｌ_１）が変化すると、ビート信号の角周波数（ω_b）もそれに比例して変化し、よって、変位測定可能なストローク範囲を拡大しようとすれば周波数帯域が広がってしまい、結局、信号処理においてＢＰＦによって信号減衰が生じてしまうためである。
これに対して、本実施の形態の場合には、第１段目干渉計、第２段目干渉計と干渉計を２段にわたって設置しているので、そのような変位ストロークの制限を改善することができる。すなわち、干渉計を２段にわたって設置した場合のビート信号の角周波数（ω_b）は式（Ｖ）に示されているように、測定したい変位量と比例関係にある光路差（Ｌ_２）以外の別変数である光路差（Ｌ_１）との和になっている。よって、光路差（Ｌ_２）の変動に対してビート信号の角周波数（ω_b）の変動はより少なくなり、特に、光路差（Ｌ_１）を光路差（Ｌ_２）より十分大きくすればビート信号の角周波数（ω_b）は殆ど変動しなくなる。それによって、従来懸念されていたストローク制限は解消されることになる。
又、第１段目干渉計の光路差（Ｌ_１）を十分長くした場合、外乱ノイズに対して弱くなることが懸念されるが、本実施の形態の場合には、干渉計が２段にわたって設置されていて、第１段目干渉計は固定光路であり、よって、そのような外乱に対する対策は容易である。具体的には、空気中ではなくて光導波路を使用して光路差を設けるように構成することが一案として考えられる。
又、本実施の形態の場合には応答特性の向上を図ることができるようになった。応答速度は式（Ｖ）に示されるビート信号の角周波数（ω_b）が高ければより早くなる。そして、式（Ｖ）から明らかなように、ＬＤ電流変調の鋸歯状波の周波数（ω_S）、ＬＤ電流振幅（Ｉ_m）又は光路差（Ｌ_１＋Ｌ_２）の何れかを大きくすればビート信号の角周波数（ω_b）が増加し、高い応答速度が得られる。しかしながら、ＬＤ電流変調の鋸歯状波周波数（ω_S）やＬＤ電流振幅（Ｉ_m）を大きくすることについては半導体レーザ素子の制限がある。つまり、ＬＤ電流変調の鋸歯状波周波数（ω_S）やＬＤ電流振幅（Ｉ_m）をあまり大きくすると非線形性を生じて変位測定精度が低下してしまう。
これに対して、この実施の形態の場合には、式（Ｖ）において光路差（Ｌ_２）と独立に光路差（Ｌ_１）を設定することができ、この光路差（Ｌ_１）を長くすることによって、ビート信号の角周波数（ω_b）を上げることができ、それによって、応答速度の向上を図ることができるものである。
又、測定精度、分解能の向上を図ることができる。すなわち、図２に示した従来例の場合には、参照信号を信号発生器１０１のモニター電気信号より取り込み、それとビート干渉信号とを比較演算している。しかしながら、ＬＤ及び光学系は温度変化、空気密度変化、熱膨張、電磁ノイズ、機械振動等の外乱の影響を受け、そのような外乱の影響を受けたビート干渉信号と信号発生器１０１から出力される安定した（外乱の影響を受けていない）参照電気信号とを比較しても精度上限界があった。
これに対して、本実施の形態では、第１段目干渉計による干渉後のビート波を参照信号として使用するようにしているので、光源部での外乱の影響は参照信号である上記ビート波にも反映されており、それによって、従来懸念されていた測定精度の劣化についてはこれを解消することができるものである。
又、ビート参照信号検出部を第１段目干渉計の後に設置することにより、第１段目干渉計の光路差（Ｌ_１）が長くなって外乱の影響を受け易くなっても、参照信号はその後で検出しているのでその外乱も反映されることになる。
尚、ビート参照信号検出部と変位検出用の干渉計とはその光路がより近いことが望ましく、具体的には、ＢＳ１５とＰＢＳ２７が近いことが望ましい。止む終えず光路を伸ばすときは、ＰＢＳ９とＢＳ１５の間を伸ばす方が良い。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記一実施の形態の場合には、干渉計を二段にわたって設置したが、三段以上にわたって設置することも考えられる。

本発明は、半導体レーザを用いる周波数変調型ヘテロダイン干渉方式によって可動部の変位を測定するように構成された変位測定装置に係り、特に、変位ストロークを延長、応答特性の向上、測定精度と分解精度の向上を計ることができるように工夫したものに関し、各種変位を測定する変位測定装置に好適である。

本発明の一実施の形態を示す図で、変位測定装置の構成を示す図である。従来例を示す図で、変位測定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１信号発生器
３半導体レーザドライバ
５半導体レーザ（ＬＤ）
７コリメータレンズ
９偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１１１／４波長板
１３固定鏡
１５ビームスプリッタ（ＢＳ）
１７１／４波長板
１９固定鏡
２１アナライザ
２３コリメータレンズ
２５フォトダイオード
２７偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２９１／４波長板
３１可動鏡
３３アナライザ
３５コリメータ
３７フォトダイオード
３９信号処理回路
４１変位検出・演算回路

Claims

半導体レーザを用いる周波数変調型ヘテロダイン干渉方式によって可動部の変位を測定するように構成された変位測定装置において、
干渉計を２段にわたって設置し、
第１段目干渉計によって第１の干渉ビート波を得て、第２段目干渉計に上記第１の干渉ビート波が入力されることによって第２の干渉ビート波を得るものであり、
上記第１段目干渉計の位相差が上記第２段目干渉計の位相差より大きく、
上記第１の干渉ビート波を参照信号として用いることを特徴とする変位測定装置。